CN108490388A - 一种基于uwb与vlc技术的多源联合室内定位方法 - Google Patents

一种基于uwb与vlc技术的多源联合室内定位方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108490388A
CN108490388A CN201810204058.6A CN201810204058A CN108490388A CN 108490388 A CN108490388 A CN 108490388A CN 201810204058 A CN201810204058 A CN 201810204058A CN 108490388 A CN108490388 A CN 108490388A
Authority
CN
China
Prior art keywords
uwb
vlc
positioning
nlos
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810204058.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108490388B (zh
Inventor
何斌
陆萍
李鑫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tongji University
Original Assignee
Tongji University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tongji University filed Critical Tongji University
Priority to CN201810204058.6A priority Critical patent/CN108490388B/zh
Publication of CN108490388A publication Critical patent/CN108490388A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108490388B publication Critical patent/CN108490388B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/0257—Hybrid positioning
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/14—Determining absolute distances from a plurality of spaced points of known location
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/16—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using electromagnetic waves other than radio waves
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/11—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum
    • H04B10/114—Indoor or close-range type systems
    • H04B10/116—Visible light communication
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W64/00—Locating users or terminals or network equipment for network management purposes, e.g. mobility management
    • H04W64/006—Locating users or terminals or network equipment for network management purposes, e.g. mobility management with additional information processing, e.g. for direction or speed determination

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)

Abstract

一种基于UWB与VLC技术的多源联合室内定位方法，涉及室内定位技术领域，以解决定位系统长期使用造成精度降低的问题。主要包括UWB设备、VLC设备、定位终端，定位终端包括UWB定位终端、VLC定位终端和数据融合单元；UWB、VLC定位终端由各自的LOS/NLOS判断模块、数据处理单元组成。采用本方案可以实现室内无缝高精度定位、减小定位系统对其他通信系统的干扰影响以及对人体无害、提高系统的保密性、提供高速通信的可能等优点，应用广泛。

Description

一种基于UWB与VLC技术的多源联合室内定位方法
技术领域
本发明涉及室内定位技术领域。
背景技术
随着现代化建设的迅速发展，大型建筑物的数量正在不断增加，包括大量集购物、休闲、餐饮、娱乐、办公等功能为一体的大型综合商业中心、写字楼等人口密集区域。由于这类场所的环境结构复杂，人们对区域认知有限，导致在发生险情时，容易造成极大的安全事故和经济损失，也增加了救援困难。因此对室内定位的精细化、准确化、无缝化就显得尤为重要。同时面对人们日益增长的带宽需求，在这类人口密度较大的区域，如何实现高速的无线接入也是需要考虑的。
目前室内可用的定位方法按照其定位机制大致有八种，分别是基于蓝牙的定位方法、基于超声波的定位方法、基于红外的定位方法、基于RFID的定位方法、基于WIFI的定位方法、基于ZigBee的定位方法、基于UWB的定位方法和基于VLC的定位方法。蓝牙、红外、WIFI、ZigBee由于其精度较低而无法很好的应用于某些对精度要求较高的室内定位场景。而RFID不具有通信能力，不便于整合到其他系统中。基于超声波的定位方法虽然精度高，但是受多普勒效应和温度的影响较大，同时也需要大量的基础硬件设施，成本较高。
基于UWB(Ultra WideBand,UWB)的定位是一种通过纳秒级或次纳秒级的窄脉冲携带信息来进行定位的方法，具备穿透能力强、多径分别率高等优势，在理论上可以达到厘米级甚至更高的定位精度，适用于多径环境下的高精度测距，同时还具有高速通信的能力。然而基于UWB的定位系统也存在一些不足。首先由于该方法通常是通过估计接收信号的达到时间/时间差(Time of Arrival,TOA/Time Difference of Arrival,TDOA)来计算收发端间的距离，在收发端间没有遮挡物，信号可以直接检测的情况下，即视距路径(Line ofSight)下，TOA/TDOA估计结果较为精确，而当收发端间有遮挡物，即非视距路径(Non-Lineof Sight)下，信号在传播过程中会穿透一个或多个遮挡物，造成附加时延，产生测量误差。其次，UWB定位需要定位终端配置额外的定位标签，成本较高。
基于VLC(Visible Light Communication,VLC)的定位是一种利用LED(LightEmitting Diode,LED)发出的白光作为定位信号载体的新型室内定位方法，具有覆盖广、无电磁辐射、电磁兼容性好、布设简单、厘米级定位精度的优点，同时还支持超高速的通信，在室内无线定位领域具有良好的应用前景。然而由于光的不可穿透性，在NLOS路径下，基于VLC的定位方法不具有可行性。
对比文件：
专利[CN106643720A]介绍的一种基于UWB室内定位技术与激光雷达的地图构建方法，采用UWB和激光雷达双传感器构建地图，可以保证在室内收到金属遮挡，导致UWB定位不准时，激光雷达的数据能让误差减小；当激光雷达的数据由于运动物体的定位精度降低时，UWB定位又可以减小此误差。但是由于激光对人眼有较大的损伤，该定位系统并不适用于室内人手持终端的场景。
专利[CN103808319A]介绍的一种基于惯性定位和VLC技术的室内混合定位系统，在定位终端可以接收到直射光线的时候，定位结果由VLC室内定位系统提供；当定位终端进入阴影区域时，定位结果由惯性定位系统提供。这种定位方式充分提高了系统的可靠性。但是由于惯性定位误差随时间增大，长期使用会造成精度降低，而且在使用之前需要较长的初始对准时间。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于UWB与VLC技术的多源联合室内定位系统和工作方法。采用本发明提供的定位系统和工作方法，可以在室内任何环境下都获得精确的定位信息，实现无缝定位。
本发明的技术方案为：
一种基于UWB与VLC技术的多源联合室内定位系统，主要包括UWB设备、VLC设备、定位终端。其中定位终端包括UWB定位终端、VLC定位终端和数据融合单元。而UWB、VLC定位终端又由各自的LOS/NLOS判断模块、数据处理单元组成。系统框图如图1所示。
所述VLC设备包括不少于3个LED灯，向VLC定位终端发射定位光信号。
所述VLC设备向所述VLC定位终端发送携带定位信息的光信号，VLC定位终端中的LOS/NLOS判断模块根据接收到的VLC信号鉴别VLC信道的LOS/NLOS状态，当信道处于LOS状态时，数据处理单元根据基于接收信号强度的定位算法(该定位算法已属于现有技术，例如通过将信号强度和已知信号衰弱模型来估计接收点与待测点的距离，根据多个接收点与待测点距离值画出圆的重叠区域来估计终端位置，但不仅限)计算定位终端的位置。反之不予处理。其LOS/NLOS判断模块中采用光电探测器对接收到的光信号转换成电信号。由于在VLC系统中，直射路径功率占总接收信号功率的85％以上，因此当接收到的光功率有较大衰减时，即可认为VLC信道处于NLOS状态下，判定不满足VLC定位要求，反之则满足。
所述UWB设备包括不少于3个UWB定位站，向UWB定位终端发射UWB定位信号。
所述UWB设备向所述UWB定位终端发送携带了定位信息的UWB信号y(t)，UWB定位终端中的LOS/NLOS判断模块根据接收到的UWB信号y(t)鉴别UWB信道的LOS/NLOS状态，当信道处于LOS状态时，数据处理单元根据TOA/TDOA定位估计算法计算定位终端的位置。反之，且当VLC信道处于LOS状态时，不予处理，而当VLC信道也处于NLOS状态时，为了保证系统无缝定位，数据处理单元根据卡尔曼滤波消除NLOS误差，获得所述定位终端的位置信息。其LOS/NLOS判断依据如下，首先根据t时刻接收到的UWB信号值y(t)，计算信号的平均附加时延τmed和峭度参量k:
其中为信号的能量。
其中为信号均值，描述了信号的平均变化情况，T为信号周期，为信号方差，描述了信号相对于其均值的波动情况。
然后以不同标准视距下测得到的最大τmed和最小峭度参量k为阈值，如果计算得到的平均附加时延τmed和峭度参量k分别小于、大于相应的阈值，则判定满足UWB定位要求，反之不满足。
因此，综上所述，所述两种定位方法组合存在以下四种不同状态：
(a)UWB信道处于LOS状态，VLC信道处于NLOS状态。此时选择UWB定位数据作为所述定位终端的位置信息。
(b)UWB信道处于NLOS状态，VLC信道处于LOS状态。此时选择VLC定位数据作为所述定位终端的位置信息。
(c)UWB信道处于LOS状态，VLC信道处于LOS状态。此时UWB、VLC定位终端都有较精确的定位数据输出，此时数据融合单元通过无反馈的联邦卡尔曼滤波对UWB、VLC定位数据进行融合，可以计算得到准确的所述定位终端的位置信息。
(d)UWB信道处于NLOS状态，VLC信道处于NLOS状态。此时虽然UWB存在NLOS误差，但可以用卡尔曼滤波消除NLOS误差，获得所述定位终端的位置信息。
针对所述(c)中的UWB和VLC信道状态，考虑到系统的容错能力，将各自的定位信息利用无反馈的联邦卡尔曼滤波估计法进行数据融合，计算出准确的所述定位终端的位置信息。所述卡尔曼滤波器包括UWB位置子滤波器、VLC位置子滤波器，主滤波器，所述子滤波器均连接到所述主滤波器。各位置子滤波器先根据各自输入的定位信息进行预测和更新后，将局部估计值和协方差阵输入到主滤波器，主滤波器经过一次时间更新和最优融合，获得全局最优估计。具体步骤包括：
(1)建立全局状态方程。在二维空间下，人的行走轨迹可以看做是由一系列离散的步组成，每一步的位置都与上一步的终点位置有关。取系统的全局状态向量为Xk＝[xk,yk,νe,k,νn,k]T，其中xk、ve,k分别为终端在k时刻的东向位置、速度；yk、vn,k分别为终端在k时刻的北向位置、速度。因此可以得到全局状态方程为
Xk＝ΦXk-1+Wk-1 (3)
其中Wk-1是k-1时刻的系统噪声，Φ为系统的转移矩阵，其中Δ为取样间隔。
(2)UWB位置子滤波器的局部估计。取UWB子系统的状态向量XU,k＝Xk，与全局状态变量相同，以UWB定位终端第k个时刻的位置输出作为观测向量[xU,k,yU,k]T，其离散观测方程为
ZU,k＝HXU,k+VU,k (5)
其中为观测矩阵，Vu,k为观测噪声。
然后根据标准卡尔曼滤波算法得到该位置子滤波器的的局部估计值。
(3)VLC位置子滤波器的局部估计。取VLC子系统的状态向量XV,k＝Xk，与全局状态变量相同，以VLC定位终端第k个时刻的位置输出作为观测向量[xV,k,yV,k]T，其离散观测方程为
ZV,k＝HXV,k+VV,k (6)
其中Vv,k为观测噪声。
然后根据标准卡尔曼滤波算法得到该位置子滤波器的的局部估计值。
(4)联邦卡尔曼滤波最优估计。由于UWB信号和光信号之间不存在干扰，因此可以认为所述两个子滤波器的估计互不相关。主滤波器以最小化融合估计误差协方差阵迹为目的将所述各位置滤波器得到的局部估计值进行融合，得到的局部估计值加权融合估计为
其中，分别为全局最优估计值、UWB位置子滤波器的局部估计值和VLC位置子滤波器的局部估计值。Pk、PU,k、PV,k分别为各自的估计协方差矩阵。
针对所述(d)中的UWB和VLC信道状态，此时虽然UWB定位方法存在NLOS误差，但由于NLOS误差是电磁波在传播过程中遇到障碍物而产生的延迟所致，它与标准测量误差相互独立，因此可以考虑先用卡尔曼滤波算法估计出NLOS误差，然后再从TOA/TDOA测量值中分离，最后利用几何定位方法获得终端位置信息。具体步骤为：
(1)NLOS误差估计。在状态向量中增加NLOS误差估计，即取系统的全局状态向量为XU1,k＝[xk,yk,νe,k,νn,k,εNLOS,k]T，其中εNLOS,k为NLOS误差估计，因此可以得到全局状态方程为
XU1,k＝ΦU1XU1,k-1+WU1,k-1 (9)
其中Φu1为系统的转移矩阵，
测量方程
ZU1,k＝[1 1 0 0 0]XU1,k+VU1,k (11)
然后根据标准卡尔曼滤波算法估计出NLOS误差。
(2)NLOS误差估计分离。由于NLOS误差与标准测量误差是相互独立的，因此可以在进行TOA/TODA定位几何计算之前，从距离测量值中直接减去NLOS误差的估计值。然后将这个估计值加入到状态向量中在进行第二步卡尔曼滤波，得到一个误差较小的距离估计值。
(3)获得位置信息。根据几何计算得到终端位置信息。
本发明创新点:
1)定位系统考虑全面，可以实现室内无缝高精度定位。针对室内环境的复杂性，考虑影响定位的主要因素，根据信号传输的LOS/NLOS路径选择最优的定位方式，在保证系统定位功能的前提下，实现了准确定位。此外由于UWB和VLC定位技术都能达到较高精度，且UWB定位技术抗多径干扰能力强，VLC定位系统布设简单，因此联合两种定位方式，在一定条件下进行优势融合和互补，达到室内高精度定位的效果。
2)由于UWB信号低功率谱密度和VLC无电磁干扰特点，可以减小定位系统对其他通信系统的干扰影响，此外两种定位方式使用的信号都具有对人体无害的优点，因此应用广泛。
3)由于UWB信号功率谱密度较低，对于一般通信系统而言，UWB信号相当于白噪声信号，要将其从其它信号中检测出来很困难，而LED的发出的可见光也具有无法穿透墙壁等障碍物的特性，因此两种技术结合可以提高系统的保密性。
4)由于UWB和VLC都支持高速通信，因此该联合定位系统在定位的基础上还能提供高速通信的可能。
附图说明
图1系统框图
图2室内场景的结构示意图
图3为本发明系统流程图
具体实施方式
一种基于UWB与VLC技术的多源联合室内定位系统，主要包括UWB设备、VLC设备、定位终端。其中定位终端包括UWB定位终端、VLC定位终端和数据融合单元。而UWB、VLC定位终端又由各自的LOS/NLOS判断模块、数据处理单元组成。如图2所示。
VLC设备产生的定位编码信息，用脉宽调制的方法加载到LED灯具的驱动电流上，以可见光形式发射出去，且相隔一定距离的每个LED对应唯一的ID编码信息，定位编码信息基于时分复用技术。当用户进入灯具照明区域时，VLC定位终端中LOS/NLOS判别模块基于光电探测器接收到的光编码信号将信号强度和阈值进行比较。
若光信号强度大于阈值。数据处理单元解码出的相应LED的ID信息，并由光强度与传输衰减距离关系，计算出终端位置(RSS定位)。在此基础上，通过UWB定位终端中LOS/NLOS判别模块根据接收到的UWB信号值y(t)，计算信号的平均附加时延τmed和峭度参量k，然后将其分别与在不同标准视距下测得相应阈值进行比较，当不满足阈值要求时，则不采用UWB定位方法，即选择VLC定位数据作为所述定位终端的位置信息输出，数据融合单元不对其做处理，完成定位。当满足阈值要求时，数据处理单元根据TOA/TDOA定位估计中的相关算法计算定位终端位置，然后数据融合单元利用无反馈的联邦卡尔曼滤波估计法进行数据融合，具体步骤为先将根据VLC和UWB定位方式计算出的位置数据分别进行标准卡尔曼滤波，然后将各自的估计值和协方差阵输入到主滤波器，主滤波器根据最小化融合后估计误差阵迹的原则经过一次时间更新和最优融合，获得全局最优估计，以此滤波结果作为所述定位终端的位置信息输出，完成定位。
若光信号强度小于阈值。系统不通过VLC定位方法来获得终端位置，此时先由UWB定位终端中LOS/NLOS判别模块根据接收到的UWB信号值y(t)，计算信号的平均附加时延τmed和峭度参量k，然后将其分别与在不同标准视距下测得相应阈值进行比较，当满足阈值要求时，数据处理单元根据TOA/TDOA定位估计中的相关算法计算定位终端位置，并以此作为所述定位终端的位置信息输出，完成定位。当不满足阈值要求时，数据处理单元把NLOS误差分量加入到卡尔曼滤波器的状态变量中进行预测，目的是通过迭代得到TOA/TDOA中NLOS误差的估计值，然后用TOA/TDOA测量值减去NLOS误差的估计值，然后将这个估计值加入到状态向量中在进行第二步卡尔曼滤波，得到一个误差较小的距离估计值，最后根据几何计算得到终端位置信息，并以此作为所述定位终端的位置信息输出，完成定位。

Claims (4)

1.一种基于UWB与VLC技术的多源联合室内定位方法，其特征在于，涉及基于UWB与VLC技术的多源联合室内定位系统，主要包括UWB设备、VLC设备、定位终端；所述定位终端包括UWB定位终端、VLC定位终端和数据融合单元；所述UWB、VLC定位终端各自包括LOS/NLOS判断模块、数据处理单元；
所述VLC设备包括不少于3个向VLC定位终端发射定位光信号的LED灯；
所述VLC设备向所述VLC定位终端发送携带定位信息的光信号，VLC定位终端中的LOS/NLOS判断模块根据接收到的VLC信号鉴别VLC信道的LOS/NLOS状态；当信道处于LOS状态时，数据处理单元根据基于接收信号强度的定位算法，计算定位终端的位置不予处理，其LOS/NLOS判断模块中采用光电探测器对接收到的光信号转换成电信号；当接收到的光功率有较大衰减时，即VLC信道处于NLOS状态下，判定不满足VLC定位要求，反之则满足；
所述UWB设备包括不少于3个向UWB定位终端发射UWB定位信号的UWB定位站；
所述UWB设备向所述UWB定位终端发送携带了定位信息的UWB信号y(t)，UWB定位终端中的LOS/NLOS判断模块根据接收到的UWB信号y(t)鉴别UWB信道的LOS/NLOS状态，当信道处于LOS状态时，数据处理单元根据TOA/TDOA定位估计算法计算定位终端的位置反之，且当VLC信道处于LOS状态时，不予处理，而当VLC信道也处于NLOS状态时，数据处理单元根据卡尔曼滤波消除NLOS误差，获得所述定位终端的位置信息；其LOS/NLOS判断依据如下，首先根据t时刻接收到的UWB信号值y(t)，计算信号的平均附加时延τmed和峭度参量k:
其中为信号的能量；
其中为信号均值，描述了信号的平均变化情况，T为信号周期，为信号方差，描述了信号相对于其均值的波动情况；
然后以不同标准视距下测得到的最大τmed和最小峭度参量k为阈值，如果计算得到的平均附加时延τmed和峭度参量k分别小于、大于相应的阈值，则判定满足UWB定位要求，反之不满足；
因此，综上所述，所述两种定位方法组合存在以下四种不同状态：
(a)UWB信道处于LOS状态，VLC信道处于NLOS状态，此时选择UWB定位数据作为所述定位终端的位置信息；
(b)UWB信道处于NLOS状态，VLC信道处于LOS状态，此时选择VLC定位数据作为所述定位终端的位置信息；
(c)UWB信道处于LOS状态，VLC信道处于LOS状态，此时UWB、VLC定位终端都有较精确的定位数据输出，此时数据融合单元通过无反馈的联邦卡尔曼滤波对UWB、VLC定位数据进行融合，计算得到准确的所述定位终端的位置信息；
(d)UWB信道处于NLOS状态，VLC信道处于NLOS状态，此时虽然UWB存在NLOS误差，但可以用卡尔曼滤波消除NLOS误差，获得所述定位终端的位置信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于UWB与VLC技术的多源联合室内定位方法，其特征在于，针对所述(c)中的UWB和VLC信道状态，将各自的定位信息利用无反馈的联邦卡尔曼滤波估计法进行数据融合，计算出准确的所述定位终端的位置信息；所述卡尔曼滤波器包括UWB位置子滤波器、VLC位置子滤波器，主滤波器，所述子滤波器均连接到所述主滤波器；各位置子滤波器先根据各自输入的定位信息进行预测和更新后，将局部估计值和协方差阵输入到主滤波器，主滤波器经过一次时间更新和最优融合，获得全局最优估计。
3.根据权利要求2所述的一种基于UWB与VLC技术的多源联合室内定位方法，其特征在于，具体步骤包括：
(1)建立全局状态方程：在二维空间下，人的行走轨迹看做是由一系列离散的步组成，每一步的位置都与上一步的终点位置有关；取系统的全局状态向量为Xk＝[xk,yk,νe,k,νn,k]T，其中xk、ve,k分别为终端在k时刻的东向位置、速度；yk、vn,k分别为终端在k时刻的北向位置、速度；因此得到全局状态方程为
Xk＝ΦXk-1+Wk-1 (3)
其中Wk-1是k-1时刻的系统噪声，Φ为系统的转移矩阵，其中Δ为取样间隔；
(2)UWB位置子滤波器的局部估计：取UWB子系统的状态向量XU,k＝Xk，与全局状态变量相同，以UWB定位终端第k个时刻的位置输出作为观测向量[xU,k,yU,k]T，其离散观测方程为
ZU,k＝HXU,k+VU,k (5)
其中为观测矩阵，Vu,k为观测噪声；
然后根据标准卡尔曼滤波算法得到该位置子滤波器的的局部估计值；
(3)VLC位置子滤波器的局部估计：取VLC子系统的状态向量XV,k＝Xk，与全局状态变量相同，以VLC定位终端第k个时刻的位置输出作为观测向量[xV,k,yV,k]T，其离散观测方程为
ZV,k＝HXV,k+VV,k (6)
其中Vv,k为观测噪声；
然后根据标准卡尔曼滤波算法得到该位置子滤波器的的局部估计值；
(4)联邦卡尔曼滤波最优估计：由于UWB信号和光信号之间不存在干扰，因此认为所述两个子滤波器的估计互不相关；主滤波器以最小化融合估计误差协方差阵迹为目的将所述各位置滤波器得到的局部估计值进行融合，得到的局部估计值加权融合估计为
其中，分别为全局最优估计值、UWB位置子滤波器的局部估计值和VLC位置子滤波器的局部估计值；Pk、PU,k、PV,k分别为各自的估计协方差矩阵。
4.根据权利要求1所述的一种基于UWB与VLC技术的多源联合室内定位方法，其特征在于，针对所述(d)中的UWB和VLC信道状态，此时虽然UWB定位方法存在NLOS误差，但由于NLOS误差是电磁波在传播过程中遇到障碍物而产生的延迟所致，它与标准测量误差相互独立，因此考虑先用卡尔曼滤波算法估计出NLOS误差，然后再从TOA/TDOA测量值中分离，最后利用几何定位方法获得终端位置信息；具体步骤为：
(1)NLOS误差估计：在状态向量中增加NLOS误差估计，即取系统的全局状态向量为XU1,k＝[xk,yk,νe,k,νn,k,εNLOS,k]T，其中εNLOS,k为NLOS误差估计，因此得到全局状态方程为
XU1,k＝ΦU1XU1,k-1+WU1,k-1 (9)
其中Φu1为系统的转移矩阵，
测量方程
ZU1,k＝[1 1 0 0 0]XU1,k+VU1,k (11)
然后根据标准卡尔曼滤波算法估计出NLOS误差；
(2)NLOS误差估计分离：由于NLOS误差与标准测量误差是相互独立的，因此可以在进行TOA/TODA定位几何计算之前，从距离测量值中直接减去NLOS误差的估计值；然后将这个估计值加入到状态向量中在进行第二步卡尔曼滤波，得到一个误差较小的距离估计值；
(3)获得位置信息：根据几何计算得到终端位置信息。
CN201810204058.6A 2018-03-13 2018-03-13 一种基于uwb与vlc技术的多源联合室内定位方法 Active CN108490388B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810204058.6A CN108490388B (zh) 2018-03-13 2018-03-13 一种基于uwb与vlc技术的多源联合室内定位方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810204058.6A CN108490388B (zh) 2018-03-13 2018-03-13 一种基于uwb与vlc技术的多源联合室内定位方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108490388A true CN108490388A (zh) 2018-09-04
CN108490388B CN108490388B (zh) 2021-06-29

Family

ID=63338596

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810204058.6A Active CN108490388B (zh) 2018-03-13 2018-03-13 一种基于uwb与vlc技术的多源联合室内定位方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108490388B (zh)

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109324311A (zh) * 2018-09-29 2019-02-12 中山大学 一种基于不同朗伯辐射波瓣模数的双模led定位方法和系统
CN109525937A (zh) * 2018-12-13 2019-03-26 山东清博智能科技有限公司 集成多种定位方式的室内定位管理系统及其定位方法
CN109855621A (zh) * 2018-12-27 2019-06-07 国网江苏省电力有限公司检修分公司 一种基于uwb与sins的组合室内行人导航系统及方法
CN110082716A (zh) * 2019-04-29 2019-08-02 徐州医科大学 一种医院复杂环境室内定位系统及定位方法
CN110401915A (zh) * 2019-08-27 2019-11-01 杭州电子科技大学 一种nlos条件下sekf与距离重构相结合的移动目标定位方法
CN110580325A (zh) * 2019-08-28 2019-12-17 武汉大学 一种泛在定位信号多源融合方法及系统
CN111664853A (zh) * 2020-06-22 2020-09-15 北京大学 基于线性回归模型的抗nlos干扰可见光定位方法及系统
CN112821949A (zh) * 2020-12-31 2021-05-18 南京嘉视信电子有限公司 基于可见光通信和uwb的隧道内车辆定位系统
CN112965031A (zh) * 2021-02-20 2021-06-15 兰州交通大学 基于vlc-rssi的地铁列车定位模型及定位方法
WO2022217781A1 (zh) * 2021-04-15 2022-10-20 腾讯云计算（北京）有限责任公司 数据处理方法、装置、设备以及介质
CN116661465A (zh) * 2023-07-04 2023-08-29 无锡八英里电子科技有限公司 一种基于时序分析与多传感器融合的机器人自动行驶方法
CN117289207A (zh) * 2023-11-22 2023-12-26 成都宜泊信息科技有限公司 一种适用于室内nlos环境的定位方法

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101483805A (zh) * 2009-02-11 2009-07-15 江苏大学 一种视距和非视距混合环境下的无线定位方法
JP2010539483A (ja) * 2007-09-12 2010-12-16 株式会社エヌ・ティ・ティ・ドコモ Ｌｏｓ条件及びｎｌｏｓ条件の下での地図情報を使用した移動端末装置の位置の向上した線形最小二乗推定のための方法
US20130136456A1 (en) * 2011-11-29 2013-05-30 Foundation Of Soongsil University-Industry Cooperation Mobile terminal capable of localization, localization server and method for localizing the mobile terminal using the localization server
CN103808319A (zh) * 2014-02-26 2014-05-21 上海交通大学 基于惯性定位和vlc技术的室内混合定位系统及方法
US20150094089A1 (en) * 2013-09-27 2015-04-02 Qualcomm Incorporated Hybrid photo navigation and mapping
CN205176258U (zh) * 2015-10-20 2016-04-20 南京睿辰欣创网络科技股份有限公司 一种基于uwb的室内定位系统
KR101622536B1 (ko) * 2015-04-21 2016-05-19 경희대학교 산학협력단 무선 통신 장치, 이를 이용한 위치 측위 방법 및 이를 포함하는 무선 통신 시스템
CN106093858A (zh) * 2016-06-22 2016-11-09 山东大学 一种基于uwb、rfid、ins多源联合定位技术的定位系统及定位方法
CN106226734A (zh) * 2016-07-15 2016-12-14 吕斌如 基于可见光传输时间的vlc定位方法和装置
CN106643720A (zh) * 2016-09-28 2017-05-10 深圳市普渡科技有限公司 一种基于uwb室内定位技术与激光雷达的地图构建方法
CN106872943A (zh) * 2017-01-03 2017-06-20 东南大学 一种基于可见光通信的移动物体室内跟踪定位方法
CN206657103U (zh) * 2017-04-14 2017-11-21 温州职业技术学院 一种基于uwb技术的厘米级室内定位系统

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010539483A (ja) * 2007-09-12 2010-12-16 株式会社エヌ・ティ・ティ・ドコモ Ｌｏｓ条件及びｎｌｏｓ条件の下での地図情報を使用した移動端末装置の位置の向上した線形最小二乗推定のための方法
CN101483805A (zh) * 2009-02-11 2009-07-15 江苏大学 一种视距和非视距混合环境下的无线定位方法
US20130136456A1 (en) * 2011-11-29 2013-05-30 Foundation Of Soongsil University-Industry Cooperation Mobile terminal capable of localization, localization server and method for localizing the mobile terminal using the localization server
US20150094089A1 (en) * 2013-09-27 2015-04-02 Qualcomm Incorporated Hybrid photo navigation and mapping
CN103808319A (zh) * 2014-02-26 2014-05-21 上海交通大学 基于惯性定位和vlc技术的室内混合定位系统及方法
KR101622536B1 (ko) * 2015-04-21 2016-05-19 경희대학교 산학협력단 무선 통신 장치, 이를 이용한 위치 측위 방법 및 이를 포함하는 무선 통신 시스템
CN205176258U (zh) * 2015-10-20 2016-04-20 南京睿辰欣创网络科技股份有限公司 一种基于uwb的室内定位系统
CN106093858A (zh) * 2016-06-22 2016-11-09 山东大学 一种基于uwb、rfid、ins多源联合定位技术的定位系统及定位方法
CN106226734A (zh) * 2016-07-15 2016-12-14 吕斌如 基于可见光传输时间的vlc定位方法和装置
CN106643720A (zh) * 2016-09-28 2017-05-10 深圳市普渡科技有限公司 一种基于uwb室内定位技术与激光雷达的地图构建方法
CN106872943A (zh) * 2017-01-03 2017-06-20 东南大学 一种基于可见光通信的移动物体室内跟踪定位方法
CN206657103U (zh) * 2017-04-14 2017-11-21 温州职业技术学院 一种基于uwb技术的厘米级室内定位系统

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LEE YONG ，KAVEHRAD, M: "Two Hybrid Positioning System Design", 《IEEE TRANSACTIONS ON CONSUMER ELECTRONICS》 *
ZHITIAN LI，AIYING YANG， HUICHAO LV，LIHUI FENG，WENZHAN SONG: "Fusion of Visible Light Indoor Positioning and Inertial Navigation Based on Particle Filter", 《IEEE PHOTONICS JOURNAL》 *
黄鹤: "UWB室内定位技术研究", 《数字技术与应用》 *

Cited By (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109324311B (zh) * 2018-09-29 2022-08-19 中山大学 一种基于不同朗伯辐射波瓣模数的双模led定位方法和系统
CN109324311A (zh) * 2018-09-29 2019-02-12 中山大学 一种基于不同朗伯辐射波瓣模数的双模led定位方法和系统
CN109525937A (zh) * 2018-12-13 2019-03-26 山东清博智能科技有限公司 集成多种定位方式的室内定位管理系统及其定位方法
CN109525937B (zh) * 2018-12-13 2021-03-02 山东清博智能科技有限公司 集成多种定位方式的室内定位管理系统的定位方法
CN109855621A (zh) * 2018-12-27 2019-06-07 国网江苏省电力有限公司检修分公司 一种基于uwb与sins的组合室内行人导航系统及方法
CN110082716A (zh) * 2019-04-29 2019-08-02 徐州医科大学 一种医院复杂环境室内定位系统及定位方法
CN110401915A (zh) * 2019-08-27 2019-11-01 杭州电子科技大学 一种nlos条件下sekf与距离重构相结合的移动目标定位方法
CN110401915B (zh) * 2019-08-27 2021-02-05 杭州电子科技大学 一种nlos条件下sekf与距离重构相结合的移动目标定位方法
CN110580325A (zh) * 2019-08-28 2019-12-17 武汉大学 一种泛在定位信号多源融合方法及系统
CN110580325B (zh) * 2019-08-28 2021-01-01 武汉大学 一种泛在定位信号多源融合方法及系统
CN111664853A (zh) * 2020-06-22 2020-09-15 北京大学 基于线性回归模型的抗nlos干扰可见光定位方法及系统
CN112821949A (zh) * 2020-12-31 2021-05-18 南京嘉视信电子有限公司 基于可见光通信和uwb的隧道内车辆定位系统
CN112821949B (zh) * 2020-12-31 2021-11-12 南京嘉视信电子有限公司 基于可见光通信和uwb的隧道内车辆定位系统
CN112965031A (zh) * 2021-02-20 2021-06-15 兰州交通大学 基于vlc-rssi的地铁列车定位模型及定位方法
CN112965031B (zh) * 2021-02-20 2023-11-21 兰州交通大学 基于vlc-rssi的地铁列车定位模型及定位方法
WO2022217781A1 (zh) * 2021-04-15 2022-10-20 腾讯云计算（北京）有限责任公司 数据处理方法、装置、设备以及介质
CN116661465A (zh) * 2023-07-04 2023-08-29 无锡八英里电子科技有限公司 一种基于时序分析与多传感器融合的机器人自动行驶方法
CN116661465B (zh) * 2023-07-04 2023-10-31 无锡八英里电子科技有限公司 一种基于时序分析与多传感器融合的机器人自动行驶方法
CN117289207A (zh) * 2023-11-22 2023-12-26 成都宜泊信息科技有限公司 一种适用于室内nlos环境的定位方法
CN117289207B (zh) * 2023-11-22 2024-01-26 成都宜泊信息科技有限公司 一种适用于室内nlos环境的定位方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108490388B (zh) 2021-06-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108490388A (zh) 一种基于uwb与vlc技术的多源联合室内定位方法
García et al. A robust UWB indoor positioning system for highly complex environments
CN105093177B (zh) 一种基于跳频技术的rssi定位方法
Lim Ubiquitous 3D positioning systems by led-based visible light communications
CN105308477B (zh) 使用信号的飞行时间的改进的距离测量
CN106017479B (zh) 室内移动目标的三维实时追踪方法及系统
WO2017196584A1 (en) Positioning system
CN109218282A (zh) 用于超宽带系统的脉冲成形互操作协议
Pittet et al. UWB and MEMS based indoor navigation
CN105823477A (zh) 一种基于rssr的led室内定位方法及系统
CN103476109A (zh) 一种室内ap定位方法
CN103823203A (zh) 基于接收器方向的室内可见光三维定位系统及方法
CN105357754B (zh) 一种基于无线网络的移动节点组合定位方法
TW201721094A (zh) 發送器陣列、接收器以及定位系統
Meena et al. Analysis of UWB indoor and outdoor channel propagation
CN109600706A (zh) 探测并计算uwb锚点坐标的方法及系统
Bastiaens et al. Experimental benchmarking of next-gen indoor positioning technologies (unmodulated) visible light positioning and ultra-wideband
CN203416427U (zh) 基于ZigBee技术的自组网定位系统
Angrisani et al. Analysis of localization technologies for indoor environment
CN107144277B (zh) 一种室内定位方法
Pricone et al. A heterogeneous RSSI-based localization system for indoor and outdoor sports activities
CN107919910A (zh) 一种抗nlos干扰的可见光定位方法
Fink et al. Combining of redundant signal strength readings for an improved RF localization in multipath indoor environments
Moschevikin et al. The impact of nlos components in time-of-flight networks for indoor positioning systems
Vatansever et al. Localization in optical wireless sensor networks for IoT applications

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant