CN112485817B - 基于无线光通信的协同定位方法和定位系统 - Google Patents

基于无线光通信的协同定位方法和定位系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种基于无线光通信的协同定位方法和定位系统。所述定位方法中节点包括：传感器模块、发送模块、接收模块和数据融合模块；主节点：通过传感器模块进行组合导航得到定位信息和测距信息；根据该信息在发送模块形成无线光信号、并广播。从节点：通过传感器模块得到定位信息和测距信息；根据该信息在发送模块形成无线光信号、并广播；接收模块接收主节点的无线光信号和其他从节点的无线光信号，并处理，得到观测信息；根据从节点的定位信息和测距信息以及观测信息，在数据融合模块进行数据融合，得到从节点协同定位信息。该方法具有不受电磁干扰、无需频谱授权、低功耗、传输带宽大、传输速率高等优点。

Description

基于无线光通信的协同定位方法和定位系统
技术领域
本申请涉及定位技术领域，特别是涉及一种基于无线光通信的协同定位方法和定位系统。
背景技术
协同定位是一种将多个运动体的定位信息融合共享的定位方式，通过运动体之间的相对观测，使多个运动体的定位状态之间形成约束关系，从而提高整体定位精度,实现更优的定位信息确定。在协同定位系统中，定位精度低的移动平台可以利用其它平台的定位信息来提高自身定位精度。例如搭载纯惯导系统的平台，利用其它搭载卫星导航设备平台的定位信息，可以对惯导误差的发散进行抑制。某些平台由于传感器或环境限制无法独自完成定位任务时，协同定位可以使这些平台具有定位能力。
传统的协同定位方法采用无线射频通信的方式进行定位，无线射频通信受电磁干扰，需要频谱授权，无线射频通信传输带宽受限和传输速率有限，并且功耗高。随着传统无线通信的发展，无线频谱的利用越来越紧张。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够抗电磁干扰、无需频谱授权、低功耗、传输带宽大和传输速率高的基于无线光通信的协同定位方法和定位系统。
一种基于无线光通信的协同定位方法，节点包括：传感器模块、发送模块、接收模块和数据融合模块；所述方法包括：
主节点：
通过传感器模块进行组合导航得到主节点定位信息和主节点测距信息。
根据所述主节点定位信息和所述主节点测距信息在发送模块形成主节点无线光信号，并广播所述主节点无线光信号。
从节点：
通过传感器模块得到从节点定位信息和从节点测距信息。
根据所述从节点定位信息和所述从节点测距信息在发送模块形成从节点无线光信号，并广播所述从节点无线光信号。
接收模块接收所述主节点发送的所述主节点无线光信号和其他从节点无线光信号，并进行处理，得到接收到的其他节点对本节点的从节点观测信息。
根据所述从节点定位信息、所述从节点测距信息以及所述从节点观测信息，在数据融合模块进行数据融合处理，得到修正后的从节点协同定位信息。
在其中一个实施例中，还包括：
主节点：
接收模块接收所述从节点发送的从节点无线光信号，并进行处理，得到接收到的其他节点对本节点的主节点观测信息。
根据所述主节点定位信息、所述主节点测距信息以及所述主节点观测信息，在所述数据融合模块进行数据融合处理，得到修正后的主节点协同定位信息。
从节点：
根据所述从节点定位信息和所述从节点测距信息在所述从节点的发送模块形成所述从节点无线光信号，并广播所述从节点无线光信号。
在其中一个实施例中，主节点的传感器模块包括：定位模块和测距模块。所述定位模块包括：全球导航卫星系统和惯性导航系统；所述通过传感器模块进行组合导航得到主节点定位信息和主节点测距信息，还包括：
通过所述全球导航卫星系统和所述惯性导航系统进行组合导航，得到主节点定位信息。
通过所述测距模块，得到本节点与其他节点间的主节点测距信息。
在其中一个实施例中，从节点的传感器模块包括：定位模块和测距模块。所述定位模块包括惯性传感器；通过从节点的传感器模块得到从节点定位信息和从节点测距信息，还包括：
通过所述惯性传感器得到从节点定位信息。
通过测距模块得到本节点与其他节点间的从节点测距信息。
在其中一个实施例中，主节点的发送模块包括：编码模块、调制模块和全向光源；根据所述主节点定位信息和所述主节点测距信息在发送模块形成主节点无线光信号，并广播所述主节点无线光信号，还包括：
根据所述主节点定位信息和所述主节点测距信息生成二进制伪随机码，在发送模块的编码模块中采用低密度奇偶校验编码器进行编码，得到编码数据。
将所述编码数据传输到所述主节点的发送模块的调制模块，通过信号发生器进行二进制振幅键控调制，并加载到全向光源上，形成主节点无线光信号。
通过光源镜面向自由空间全向发射，广播所述主节点无线光信号。
在其中一个实施例中，节点的接收模块包括：光电转换模块、模数转换模块和译码模块；接收模块接收所述主节点发送的所述主节点无线光信号和其他从节点无线光信号，并进行处理，得到接收到的其他节点对本节点的从节点观测信息，还包括：
接收模块接收所述主节点无线光信号和所述从节点无线光信号，经过所述光电转换模块中的镜头、滤光片和光电倍增管将所述主节点无线光信号转换为模拟电信号。
将所述模拟电信号输入到所述模数转换模块，得到二进制振幅键控符号序列。
根据所述二进制振幅键控符号序列以及所述主节点无线光信号强度或所述从节点无线光信号的强度，计算得到所述二进制振幅键控符号序列的对数似然比。
将所述二进制振幅键控符号序列输入到译码模块的低密度奇偶校验译码器，采用消息传递译码算法，根据所述对数似然比进行符号检测，并译码，得到接收到的其他节点对本节点的从节点观测信息。
在其中一个实施例中，所述二进制振幅键控符号序列的对数似然比包括：波形采样对数似然比和脉冲计数对数似然比；根据所述二进制振幅键控符号序列以及所述主节点无线光信号强度或所述从节点无线光信号的强度，计算得到所述二进制振幅键控符号序列的对数似然比，还包括：
当从节点的接收模块接收到的所述主节点无线光信号强度或所述从节点无线光信号强度大于等于预定阈值时：
在所述二进制振幅键控符号序列中，信号0和信号1分别对应均值及方差为
Figure 569477DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 835373DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 913051DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 555385DEST_PATH_IMAGE004
的高斯分布；所述波形采样对数似然比计算公式为：
Figure 300487DEST_PATH_IMAGE005
其中：
Figure 986552DEST_PATH_IMAGE006
为所述波形采样对数似然比。
Figure 551525DEST_PATH_IMAGE007
为给定的每个所述二进制振幅键控符号采样后平均值。
Figure 731971DEST_PATH_IMAGE008
为信号0对应的均值及方差为
Figure 331580DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 188546DEST_PATH_IMAGE010
高斯分布的概率密度函数。
Figure 240816DEST_PATH_IMAGE011
为信号1对应的均值及方差为
Figure 959373DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 679067DEST_PATH_IMAGE013
高斯分布的概率密度函数。
当从节点的接收模块接收到的所述主节点无线光信号强度或所述从节点无线光信号强度小于预定阈值时：
根据所述二进制振幅键控符号序列，采用分时隙同步的方式，通过脉冲计数来实现信号采样，信号0和信号1分别对应均值为
Figure 457667DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 246501DEST_PATH_IMAGE015
的泊松分布，所述脉冲计数对数似然比计算公式为：
Figure 768749DEST_PATH_IMAGE016
其中：
Figure 77371DEST_PATH_IMAGE017
为脉冲计数对数似然比。
Figure 26872DEST_PATH_IMAGE018
为给定的每个所述二进制振幅键控符号里对应的脉冲数量。
Figure 303001DEST_PATH_IMAGE019
为符号0脉冲数量均值为
Figure 628941DEST_PATH_IMAGE020
的泊松分布下的密度函数。
Figure 57648DEST_PATH_IMAGE021
为符号1脉冲数量均值为
Figure 178051DEST_PATH_IMAGE022
的泊松分布下的密度函数。
在其中一个实施例中，根据所述从节点定位信息、所述从节点测距信息以及所述从节点观测信息，在从节点的数据融合模块进行数据融合处理，得到修正后的从节点协同定位信息，还包括：
根据所述从节点定位信息、所述从节点测距信息以及所述从节点观测信息，在从节点的数据融合模块采用基于联合分布状态的信息滤波算法，结合Cholesky矩阵分解算法，得到修正后的从节点协同定位信息。
一种基于无线光通信的协同定位系统，所述协同定位系统包括定位系统组网；所述定位系统组网包括多个节点；所述节点之间通过无线光通信。
所述节点包括：传感器模块、发送模块、接收模块和数据融合模块。
所述传感器模块包括：定位模块和测距模块；所述定位模块用于所述节点测定自身的定位信息；所述测距模块用于获得本节点与其他节点间的测距信息。
所述发送模块包括：编码模块、调制模块和全向光源；所述发送模块用于根据所述定位信息和所述测距信息在所述编码模块中得到二进制伪随机码，根据所述二进制伪随机码在调制模块中进行调制得到二进制振幅键控调制波形，并通过所述全向光源向自由空间各个方向广播发送光信号。
所述接收模块包括：光电转换模块、模数转换模块和译码模块；所述接收模块用于将接收到的无线光信号通过所述光电转换模块转换为电信号，将所述电信号通过所述模数转换模块转换为数字信号，将所述数字信号通过译码模块进行译码得到接收到的其他节点对本节点的观测信息。
所述数据融合模块用于将节点自身的所述定位信息和接收到的观测信息、测距信息进行滤波融合，得到修正的协同定位信息。
所述节点包括：主节点和从节点；所述主节点的定位模块包括全球导航卫星系统和惯性导航系统，所述主节点的定位模块用于通过所述全球导航卫星系统和所述惯性导航系统的组合导航得到主节点定位信息。
所述主节点和所述从节点通过执行上述任一项所述基于无线光通信的协同定位方法进行定位。
在其中一个实施例中，所述发送模块包括编码模块、调制模块和全向光源；所述编码模块用于将所述定位信息和所述测距信息生成二进制伪随机码，经低密度奇偶校验编码器进行编码；所述调制模块用于将编码后的数据通过信号发生器转换为二进制振幅键控调制波形；所述全向光源用于向自由空间各个方向广播发送所述无线光信号。
所述接收模块包括光电转换模块、模数转换模块和译码模块；所述光电转换模块用于接收无线光信息号，并将无线光信息号转换为模拟电信号；所述光电转换模块包括镜头、滤光片和光电倍增管；所述模数转换模块用于将所述模拟电信号转换为数字信号；所述译码模块用于恢复所述数字信号，得到接收到的其他节点对本节点观测信息。
上述基于无线光通信的协同定位方法和定位系统，该方法中节点包括：传感器模块、发送模块、接收模块和数据融合模块；主节点通过传感器模块进行组合导航得到主节点定位信息和主节点测距信息；根据该信息在发送模块形成主节点无线光信号，并广播主节点无线光信号。从节点通过传感器模块得到从节点定位信息和从节点测距信息；根据该信息在发送模块形成从节点无线光信号，并广播从节点无线光信号；接收模块主节点无线光信号和其他从节点发送的从节点无线光信号，并进行处理，得到接收到的其他节点对本节点的从节点观测信息；根据从节点定位信息、从节点测距信息和从节点观测信息，在数据融合模块进行数据融合处理，得到修正后的从节点协同定位信息。该协同定位方法中将无线光通信运用到协同定位中，取代传统的无线电通信，具有不受电磁干扰、无需频谱授权、低功耗、传输带宽大、传输速率高等优点；无线光信号采用一对多的广播式传输，有利于构建节点间的信息组网。
附图说明
图1为一个实施例中基于无线光通信的协同定位方法的应用场景图；
图2为一个实施例中基于无线光通信的协同定位方法的流程示意图；
图3为一个实施例中发送模块的结构示意图；
图4为另一个实施例中接收模块的结构示意图；
图5为一个实施例中一种基于无线光通信的协同定位方法的流程图示意图；
图6为一个实施例中节点组成结构示意图；
图7为一个实施例中节点间信号传输示意图；
图8为一个实施例中基于无线光通信的协同定位系统示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请提供的基于无线光通信的协同定位方法，可以应用于如图1所示的应用环境中。其中，包括主节点100、从节点102、从节点104、从节点106和从节点108等多个节点，各节点之间通过无线光信号连接组网，通过无线光信号进行通信。主节点100、从节点102、从节点104、从节点106和从节点108等多个节点采用基于无线光通信的协同定位方法得到协同定位信息。
在一个实施例中，如图2所示，提供了一种基于无线光通信的协同定位方法，节点包括：传感器模块、发送模块、接收模块和数据融合模块；方法包括：协同定位方法包括以下步骤：
主节点：
步骤200，通过传感器模块进行组合导航得到主节点定位信息和主节点测距信息。
传感器模块包括定位模块和测距模块。
主节点测距信息是本节点与其他节点间的测距信息。
主节点的传感器模块的定位模块包括全球卫星导航系统（Global NavigationSatellite System，简写GNSS）传感器和惯性传感器（Inertial Navigation System，简称：INS），通过GNSS/INS组合导航获取自身的定位信息，主节点通过传感器模块的测距模块得到该节点与其他节点间的测距信息。
步骤202，根据主节点定位信息和主节点测距信息在发送模块形成主节点无线光信号，并广播主节点无线光信号。
发送模块包括编码模块、调制模块和全向光源。
发送模块的编码模块将主节点定位信息和主节点测距信息生成二进制伪随机码，经低密度奇偶校验码（Low Density Parity Check Code，简称：LDPC）编码器进行编码，编码后的数据传输到调制模块，通过信号发生器进行二进制振幅键控(OOK:On-Off Keying)调制，而后加载到全向光源上，通过光源镜面向自由空间全向发射，广播主节点无线光信号。
主节点传感器模块将主节点测距信息与主节点定位信息作为观测信息通过发送模块转化为无线光信号传输至其他节点。
无线光通信使用频段很高的光波，具有丰富的频谱资源，且传输速率高，非常适合超高速率无线传输场景下的应用。同时，无线光通信具有不受电磁干扰、无需频谱授权、低功耗等优点。
从节点：
步骤204，通过传感器模块得到从节点定位信息和从节点测距信息。
节点的传感器模块包括定位模块和测距模块。
从节点传感器模块的定位模块包括惯性传感器。
从节点通过传感器模块的定位模块获得从节点定位信息，通过传感器模块的测距模块得到本节点与其他节点的测距信息。
步骤206，根据从节点定位信息和从节点测距信息在发送模块形成从节点无线光信号，并广播从节点无线光信号。
节点的发送模块包括编码模块、调制模块和全向光源。
从节点通过发送模块的编码模块将该节点的从节点定位信息和从节点测距信息生成二进制伪随机码，经LDPC编码器进行编码，编码后的数据传输到调制模块，通过信号发生器进行OOK调制，而后加载到全向光源上，通过光源镜面向自由空间全向发射，广播从节点无线光信号。
从节点传感器模块将从节点测距信息与从节点定位信息作为观测信息通过发送模块转化为无线光信号传输至其他节点。
步骤208，接收模块接收主节点发送的主节点无线光信号和其他从节点无线光信号，并进行处理，得到接收到的其他节点对本节点的从节点观测信息。
从节点观测信息包括该从节点接收到的主节点测距信息、主节点定位信息、其他从节点定位信息以及其他从节点测距信息。
节点接收模块包括光电转换模块、模数转换模块和译码模块。
主节点无线光信号和其他从节点无线光信号到达从节点的接收模块后，经过光电转换模块由光信号转换为电信号，输入到模数转换模块后经过模数转换器输出仅由信号0和信号1组成的OOK符号序列，并计算接收到OOK符号序列的对数似然比（LLR），将OOK符号序列输入译码模块的LDPC译码器，采用消息传递译码算法，根据接收到OOK符号序列的LLR进行译码，输出恢复的信号，包含接收到的其他节点的观测信息。
步骤210，根据从节点定位信息、从节点测距信息以及从节点观测信息，在数据融合模块进行数据融合处理，得到修正后的从节点协同定位信息。
将该从节点接收到的主节点和其他从节点的定位信息和测距信息送入数据融合模块作为观测信息，与作为状态量的该从节点的从节点定位信息结合，即通过该从节点的从节点测距信息提供的相对方位，将两个节点的GNSS/INS或纯惯导信息进行组合，提高定位精度，输出修正后的从节点协同定位信息。
上述基于无线光通信的协同定位方法，该方法中节点包括：传感器模块、发送模块、接收模块和数据融合模块；主节点通过传感器模块进行组合导航得到主节点定位信息和主节点测距信息；根据该信息在发送模块形成主节点无线光信号，并广播主节点无线光信号。从节点通过传感器模块得到从节点定位信息和从节点测距信息；根据该信息在发送模块形成从节点无线光信号，并广播从节点无线光信号；接收模块主节点无线光信号和其他从节点发送的从节点无线光信号，并进行处理，得到接收到的其他节点对本节点的从节点观测信息；根据从节点定位信息、从节点测距信息以及从节点观测信息，在数据融合模块进行数据融合处理，得到修正后的从节点协同定位信息。该协同定位方法将无线光通信运用到协同定位中，取代传统的无线电通信，具有不受电磁干扰、无需频谱授权、低功耗、传输带宽大、传输速率高等优点；无线光信号采用一对多的广播式传输，有利于构建节点间的信息组网。
在其中一个实施例中，基于无线光通信的协同定位方法还包括：主节点：接收模块接收从节点发送的从节点无线光信号，并进行处理，得到接收到的其他节点对本节点的主节点观测信息；根据主节点定位信息、主节点测距信息以及主节点观测信息，在数据融合模块进行数据融合处理，得到修正后的主节点协同定位信息。
从节点：根据从节点定位信息和从节点测距信息在从节点的发送模块形成从节点无线光信号，并广播从节点无线光信号。
对于主节点到从节点的信号传输，主节点自身完成了GNSS/INS组合导航，主节点的GNSS测量信息可以抑制主、从节点INS测量信息的漂移，而主、从节点INS测量信息对GNSS测量信息进行了平滑并弥补了其信号中断，从而在信号接收端的从节点上获得连续、高带宽、长时和短时精度均较高的、完整的定位信息。
对于从节点到从节点的信号传输，虽然在定位精度上没有很大的差距，但通过互相传递观测信息，可以共享实时位置，搭建组网，利用多节点空间分布的几何关系，对定位中的明显错误进行排除，通过数据融合，也可以对定位信息进行修正。
在其中一个实施例中，主节点的传感器模块包括：定位模块和测距模块，定位模块包括：全球导航卫星系统和惯性导航系统。步骤200还包括，通过全球导航卫星系统和惯性导航系统进行组合导航，得到主节点定位信息；通过测距模块，得到本节点与其他节点间的主节点测距信息。
在其中一个实施例中，从节点的传感器模块包括：定位模块和测距模块；定位模块包括惯性传感器。步骤204还包括，通过惯性传感器得到从节点定位信息；通过测距模块得到本节点与其他节点间的从节点测距信息。
在其中一个实施例中，如图3所示节点发送模块组成结构图，节点发送模块30包括：编码模块31、调制模块32和全向光源33。步骤202还包括，主节点根据主节点定位信息和主节点测距信息生成二进制伪随机码，在发送模块30的编码模块31中采用LDPC编码器311进行编码，得到编码数据；将编码数据传输到主节点的发送模块30的调制模块32，通过信号发生器321进行二进制振幅键控调制，并加载到全向光源33上，形成主节点无线光信号；通过光源镜面331向自由空间全向发射，广播主节点无线光信号。
在其中一个实施例中，节点的接收模块包括：光电转换模块、模数转换模块和译码模块。步骤208还包括，接收模块接收主节点无线光信号和从节点无线光信号，经过光电转换模块中的镜头、滤光片和光电倍增管将主节点无线光信号转换为模拟电信号；将模拟电信号输入到模数转换模块，得到二进制振幅键控符号序列；根据二进制振幅键控符号序列以及主节点无线光信号强度或从节点无线光信号的强度，计算得到二进制振幅键控符号序列的对数似然比；将二进制振幅键控符号序列输入到译码模块的低密度奇偶校验译码器，采用消息传递译码算法，根据对数似然比进行符号检测，并译码，得到接收到的其他节点对本节点的从节点观测信息。
在其中一个实施例中，如图4所示节点的接收模块组成结构图，节点的接收模块40包括：光电转换模块41、模数转换模块42和译码模块43。
主节点无线光信号和其他从节点无线光信号到达接收模块40后，经过镜头411、滤光片412和PMT413由光信号转换为电信号，将电信号输入到模数转换模块42后经过模数转换器421实现电信号的数字化，并通过LLR计算模块422计算信号的对数似然比（LLR）。其中，LLR计算根据光信号强度分为两类模式，当光强度较大时为波形采样模式，当光强度较小时为脉冲计数模式。由于发送端是将数据转换为OOK调制波形，因此接收端模数转换模块42的输出信号为仅由信号0和信号1组成的OOK符号序列。将此序列输入译码模块43的LDPC译码器431，采用消息传递译码算法，根据接收到符号的LLR进行译码，输出恢复的信号，包含接收到的其他节点的观测信息。
在其中一个实施例中，在无线光信号的强度确定的实验中，接收模块40敏感到的无线光强度主要是由信号发送模块20的驱动电压大小决定。随着驱动电压的增加，PMT413的输出信号由脉冲信号转变为连续波型信号。
发送模块采用蓝光LED、接收模块采用波段为465nm的PMT，驱动信号选用交流信号，驱动信号电压的取值范围为大于等于0V小于等于2.37V；分别进行8倍采样和40倍采样下的波形采样检测和脉冲计数检测。实验结果表明，对于两种采样模式，电压较低时脉冲计数检测的误码率较小，电压较高时波形采样检测的误码率较小，8倍采样时误码率小于预定值对应的驱动信号电压分界点为2.34V、40倍采样时误码率小于预定值对应的驱动信号电压分界点为2.29V。虽然对于不同的采样倍率驱动电压信号电压分界点不同，但是规律是一致的，即当驱动信号电压值大于分界点时采用波形采样检测误码率较小，驱动信号电压值较小于分界点时采用脉冲技术检测误码率较小。
由于在驱动信号电压较小时，光强较小，当驱动电压较大时，光强较大，因此根据光信号强度来确定采样检测方法的问题可以转化为：根据驱动信号电压值和实验确定的驱动信号电压分界点来确定采样检测方法的问题，确定原则：当驱动信号电压值大于分界点时采用波形采样检测，当驱动信号电压值较小于分界点时采用脉冲技术检测。
以此为依据，根据驱动信号电压范围内，对波形采样检测和脉冲计数检测赋予相应权重形成联合检测方法，可以更有效地降低误码率。
在其中一个实施例中，二进制振幅键控符号序列的对数似然比包括波形采样对数似然比和脉冲计数对数似然比；步骤208还包括，当从节点的接收模块接收到的主节点无线光信号强度或从节点无线光信号强度大于等于预定阈值时：
在二进制振幅键控符号序列中，信号0和信号1分别对应均值及方差为
Figure 692209DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 71106DEST_PATH_IMAGE023
和
Figure 88741DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 645624DEST_PATH_IMAGE025
的高斯分布；波形采样对数似然比计算公式为：
Figure 647078DEST_PATH_IMAGE026
（1）
其中：
Figure 314820DEST_PATH_IMAGE027
为波形采样对数似然比。
Figure 459666DEST_PATH_IMAGE028
为给定的每个二进制振幅键控符号采样后平均值。
Figure 453030DEST_PATH_IMAGE029
为信号0对应的均值及方差为
Figure 676201DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 882054DEST_PATH_IMAGE023
高斯分布的概率密度函数。
Figure 123548DEST_PATH_IMAGE031
为信号1对应的均值及方差为
Figure 287814DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 732701DEST_PATH_IMAGE025
高斯分布的概率密度函数。
当从节点的接收模块接收到的主节点无线光信号强度或从节点无线光信号强度小于预定阈值时：
根据二进制振幅键控符号序列，采用分时隙同步的方式，通过脉冲计数来实现信号采样，信号0和信号1分别对应均值为
Figure 742246DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure 120137DEST_PATH_IMAGE034
的泊松分布，脉冲计数对数似然比计算公式为：
Figure 173413DEST_PATH_IMAGE035
（2）
其中：
Figure 105597DEST_PATH_IMAGE036
为脉冲计数对数似然比。
Figure 653253DEST_PATH_IMAGE037
为给定的每个二进制振幅键控符号里对应的脉冲数量。
Figure 620072DEST_PATH_IMAGE038
为符号0脉冲数量均值为
Figure 109828DEST_PATH_IMAGE039
的泊松分布下的密度函数。
Figure 794887DEST_PATH_IMAGE040
为符号1脉冲数量均值为
Figure 411813DEST_PATH_IMAGE041
的泊松分布下的密度函数。
在其中一个实施例中，其中，LLR计算有两类模式，直接影响信号的符号判决和LDPC译码器的译码过程。
第一类为波形采样，当发送端发射的光信号强度足够大时，接收端模数转换模块输出信号为连续波形信号，此时的信号检测通过一定倍数采样来实现同步，即通过波形采样来实现信道估计和符号检测。在接收序列中，信号0和信号1分别对应均值及方差为
Figure 233139DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure 644529DEST_PATH_IMAGE043
和
Figure 800572DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure 955610DEST_PATH_IMAGE045
的高斯分布。
在信号检测中遵循最大似然准则，给定每个符号信号采样后平均值x，则
Figure 897021DEST_PATH_IMAGE046
和
Figure 213733DEST_PATH_IMAGE047
分别为符号0和1对应的高斯分布的概率密度函数，通过计算信号的LLR进行符号信号检测。
采用公式（1）计算对数似然比
Figure 873385DEST_PATH_IMAGE048
，当
Figure 815802DEST_PATH_IMAGE049
时，判定符号信号为0，否则判定符号信号为1。
第二类为脉冲计数，当发射端发射的光信号强度较小时，接收端输出信号为离散的脉冲信号，此时波形采样不再适用于对脉冲信号的检测，而采用分时隙同步的方法，通过脉冲计数来实现信号采样。在接收序列中，信号0和信号1分别对应均值为
Figure 611719DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure 364912DEST_PATH_IMAGE051
的泊松分布。
给定的每个符号里对应的脉冲数量y，则
Figure 511859DEST_PATH_IMAGE052
和
Figure 992388DEST_PATH_IMAGE053
分别为符号0和1脉冲数量均值为
Figure 642812DEST_PATH_IMAGE054
和
Figure 832485DEST_PATH_IMAGE055
的泊松分布下的密度函数，通过计算信号的LLR进行信号判别。
采用公式（2）计算对数似然比
Figure 201150DEST_PATH_IMAGE056
，当
Figure 236102DEST_PATH_IMAGE057
时，判定符号为1，否则判定符号为0。
本发明中采用波形采样与脉冲计数联合检测的方法，将波形采样的
Figure 990300DEST_PATH_IMAGE058
与脉冲计数的
Figure 85295DEST_PATH_IMAGE059
相加，作为联合检测方法的对数似然比。对数似然比计算公式：
Figure 206835DEST_PATH_IMAGE060
其中a、b为权重系数，当无线光信号强度大于等于预定阈值时a=1、b=0，当无线光信号强度小于预定阈值时a=0、b=1。
当采样倍数足够高时，波形采样方法可以使误码率降低；当采样倍数不够高时，脉冲计数方法可以弥补在低电压下波形采样方法的不足。
在其中一个实施例中，步骤210还包括，根据从节点定位信息、从节点测距信息以及从节点观测信息，在从节点的数据融合模块采用基于联合分布状态的信息滤波算法，结合Cholesky矩阵分解算法，得到修正后的从节点协同定位信息。
多节点协同定位技术中采用的数据融合方法是结合具体的导航传感器采用各种改进的卡尔曼滤波方法进行数据融合，但卡尔曼滤波在观测更新时会改变所有与观测状态相关的矩参数，使计算量增大、复杂度提高。在多节点协同定位问题上，利用信息参数以及系数线性系统的理论和技术会取得优于卡尔曼滤波的性质。
本发明中的数据融合过程采用基于联合分布状态的信息滤波算法，通过利用联合分布状态将关键历史信息保留在滤波过程中，避免了时间更新的复杂计算；同时将信息参数应用于联合分布状态中，利用联合分布信息参数的稀疏性，使滤波估计过程仅改变与自身状态相关信息来降低运算复杂度；然后再利用Cholesky矩阵分解，对信息参数进行恢复，得到物理意义更加明确的矩参数，并使参数恢复只在局部变化，进一步减少滤波计算量。
无线光通信采用的光源大多是发光二极管（LED），在某一时刻会发出相位不同的光线，属于非相干调制，只能调制光源的强度，采用二进制振幅键控（OOK）调制等方式，将信号调制到光束上。在光束范围内，与光源不同距离的位置可以接收到光强大小不同的光信号，因此可以设置阈值，实现一对多的信号传输。当传输的信息包含定位信息和测距信息的观测信息时，可进一步实现协同定位。
将无线光通信运用到协同定位，从时效与频谱效率来说，通过具有大带宽的高频段传输并构建超密集异构网，不仅可以实现热点区域的高密度组网与无缝覆盖，并且各节点之间能够高效协同工作，同时可以大幅度提高系统容量，实现更加有效的协同定位。
在其中一个实施例中，如图5所示，一种基于无线光通信的协同定位方法的流程图，具体包括如下步骤：
步骤一，各节点对自身的定位信息和测距信息的获取：
系统初始化后，系统组网中的主节点携带GNSS传感器和惯性传感器，通过GNSS/INS组合导航获取自身的定位信息，该定位信息误差较小；系统组网中的从节点携带惯性传感器，通过惯性导航获取自身的定位信息，该定位信息误差较大。
各节点通过测距模块获得该节点与其他节点间的测距信息。
步骤二，无线光信号在主节点的生成和发送：
发送模块的编码模块将节点的定位信息和测距信息生成二进制伪随机码，经LDPC编码器进行编码，编码后的数据传输到调制模块，通过信号发生器进行OOK调制，而后加载到全向光源上，通过光源镜面向自由空间全向发射，广播光信号。
步骤三，光信号在接收端节点的接收和处理：
光信号到达接收模块后，经过镜头、滤光片和PMT由光信号转换为电信号，输入到模数转换模块后经过模数转换器实现电信号的数字化，并通过LLR计算模块计算信号的对数似然比（LLR）。其中，LLR计算根据光信号强度分为两类模式，当光强度较大时为波形采样模式，当光强度较小时为脉冲计数模式。由于发送端是将数据转换为OOK调制波形，因此接收端模数转换模块的输出信号为仅由信号0和信号1组成的OOK符号序列。将此序列输入译码模块的LDPC译码器，采用消息传递译码算法，根据接收到符号的LLR进行译码，输出恢复的信号，包含接收到的其他节点的观测信息。
步骤四，利用接收端节点自身的测量信息和接收到的信息，进行数据融合处理，得到修正后的协同定位信息：
数据融合模块可以看作一个滤波器，将本节点接收到的其他节点的定位信息和测距信息送入滤波器作为观测信息，与作为状态量的接收点的节点定位信息结合，即通过测距信息提供的相对方位，将两个节点的GNSS/INS或纯惯导信息进行组合，提高定位精度，输出修正后的定位信息。
对于主节点到从节点的信号传输，主节点自身完成了GNSS/INS组合导航，主节点的GNSS测量信息可以抑制主、从节点INS测量信息的漂移，而主、从节点INS测量信息对GNSS测量信息进行了平滑并弥补了其信号中断，从而在信号接收端的从节点上获得连续、高带宽、长时和短时精度均较高的、完整的定位信息。
对于从节点到从节点的信号传输，虽然在定位精度上没有很大的差距，但通过互相传递观测信息，可以共享实时位置，搭建组网，利用多节点空间分布的几何关系，对定位中的明显错误进行排除，通过数据融合，也可以对定位信息进行修正。
应该理解的是，虽然图2、5的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图2、5中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，提供了一种基于无线光通信的协同定位系统，系统包括多个节点，协同定位系统包括定位系统组网；定位系统组网包括多个节点；节点之间通过无线光通信。
节点包括：传感器模块、发送模块、接收模块和数据融合模块。
传感器模块包括：定位模块和测距模块；定位模块用于节点测定自身的定位信息；测距模块用于获得本节点与其他节点间的测距信息。
发送模块包括：编码模块、调制模块和全向光源；发送模块用于根据定位信息和测距信息在编码模块中得到二进制伪随机码，根据二进制伪随机码在调制模块中进行调制得到二进制振幅键控调制波形，并通过全向光源向自由空间各个方向广播发送光信号。
接收模块包括：光电转换模块、模数转换模块和译码模块；接收模块用于将接收到的无线光信号通过光电转换模块转换为电信号，将电信号通过模数转换模块转换为数字信号，将数字信号通过译码模块进行译码得到接收到的其他节点对本节点的观测信息。
数据融合模块用于将节点自身的定位信息和接收到的观测信息、测距信息进行滤波融合，得到修正的协同定位信息。
节点包括：主节点和从节点；主节点的定位模块包括全球导航卫星系统和惯性导航系统，主节点的定位模块用于通过全球导航卫星系统和惯性导航系统的组合导航得到主节点定位信息。
主节点和从节点通过执行上述任一基于无线光通信的协同定位方法进行定位。
在其中一个实施例中，如图6所示，节点包括传感器模块60、发送模块61、接收模块62和数据融合模块63。
传感器模块60用于各节点获得状态信息，状态信息包括节点定位信息和节点测距信息，传感器模块60包括定位模块601和测距模块602，其中定位模块601用于各节点测定自身的定位信息，测距模块602用于获得节点与其他节点间的测距信息。主节点的定位模块601包括GNSS传感器和惯性传感器，从节点的定位模块601包括惯性传感器。
发送模块61用于形成和发送无线光信号，包括编码模块611、调制模块612和全向光源613。用于根据定位信息和测距信息在编码模块611中得到二进制伪随机码，根据二进制伪随机码在调制模块612中进行调制得到二进制振幅键控调制波形，通过全向光源612向自由空间各个方向广播发送光信号。
接收模块62用于接收和处理无线光信号，包括光电转换模块621、模数转换模块622和译码模块623。接收模块62用于将接收到的无线光信号通过光电转换模块621转换为电信号，将电信号通过模数转换模块622转换为数字信号，将数字信号通过译码模块623进行译码得到接收到的其他节点对本节点的观测信息。
数据融合模块63用于将节点自身的定位信息、测距信息和接收到的观测信息进行滤波融合，得到修正的自身定位信息。
在一个实施例中，如图7所示为节点间信号传输示意图，主节点和从节点均是图6所述节点。从节点A和从节点B通过自身携带的惯性传感器获取INS信息，利用惯导解算可以得到从节点的定位信息。主节点C通过自身携带的GNSS传感器获取GNSS信息，通过惯性传感器获取INS信息，利用GNSS/INS组合导航可以得到主节点的精确定位信息。各节点通过测距模块获得与其他节点的测距信息，将测距信息与该节点定位信息作为观测信息传输至其他节点，如图7中的
Figure 779898DEST_PATH_IMAGE061
、
Figure 670494DEST_PATH_IMAGE062
、
Figure 185658DEST_PATH_IMAGE063
、
Figure 263335DEST_PATH_IMAGE064
、
Figure 905669DEST_PATH_IMAGE065
和
Figure 650771DEST_PATH_IMAGE066
，实现系统组网间的信息交互传输。
基于无线光通信的协同定位系统示意图如图8所示，节点1的发送模块根据其传感器模块获得的定位信息和测距信息在其发送模块中生成无线光信号、并广播出去，同时节点1的接收模块接收节点2的发送模块发送的无线光信号，在接收模块中经过转化、恢复得到观测信号，数据融合模块接收该观测信号，结合自身的定位信息和测距信息进行数据融合处理，得到协同定位信息。如果节点1和节点2同为从节点，则节点2和节点1以相同的方式工作。如果节点1是主节点，节点2为从节点，节点1和节点2在数据传感模块的工作方式存在差异。
在其中一个实施例中，发送模块包括编码模块、调制模块和全向光源；编码模块用于将节点的定位信息和测距信息生成二进制伪随机码，经LDPC编码器进行编码，调制模块用于将编码后的数据通过信号发生器转换为OOK调制波形，全向光源用于向自由空间各个方向广播发送光信号。
接收模块包括光电转换模块、模数转换模块和译码模块；光电转换模块用于接收无线光信息号，并将无线光信息号转换为模拟电信号；光电转换模块包括镜头、滤光片和光电倍增管；模数转换模块用于将模拟电信号转换为数字信号；译码模块包括自适应均衡器和LDPC译码器，用于将数字信号恢复为原始的定位信息和测距信息生成的二进制伪随机码，其中包括接收到的其他节点对本节点观测信息。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于无线光通信的协同定位方法，其特征在于，节点包括：传感器模块、发送模块、接收模块和数据融合模块；所述方法包括：
主节点：
通过传感器模块进行组合导航得到主节点定位信息和主节点测距信息；
根据所述主节点定位信息和所述主节点测距信息在发送模块形成主节点无线光信号，并广播所述主节点无线光信号；
从节点：
通过传感器模块得到从节点定位信息和从节点测距信息；
根据所述从节点定位信息和所述从节点测距信息在发送模块形成从节点无线光信号，并广播所述从节点无线光信号；
接收模块接收所述主节点发送的所述主节点无线光信号和其他从节点无线光信号，并进行处理，得到接收到的其他节点对本节点的从节点观测信息；
根据所述从节点定位信息、所述从节点测距信息和所述从节点观测信息，在数据融合模块进行数据融合处理，得到修正后的从节点协同定位信息；
其中：节点的接收模块包括：光电转换模块、模数转换模块和译码模块；
接收模块接收所述主节点发送的所述主节点无线光信号和其他从节点无线光信号，并进行处理，得到接收到的其他节点对本节点的从节点观测信息，包括：
接收模块接收所述主节点无线光信号和所述从节点无线光信号，经过所述光电转换模块中的镜头、滤光片和光电倍增管将所述主节点无线光信号转换为模拟电信号；
将所述模拟电信号输入到所述模数转换模块，得到二进制振幅键控符号序列；
根据所述二进制振幅键控符号序列以及所述主节点无线光信号强度或所述从节点无线光信号的强度，计算得到所述二进制振幅键控符号序列的对数似然比；
将所述二进制振幅键控符号序列输入到译码模块的低密度奇偶校验译码器，采用消息传递译码算法，根据所述对数似然比进行符号检测，并译码，得到接收到的其他节点对本节点的从节点观测信息；
其中：所述二进制振幅键控符号序列的对数似然比包括：波形采样对数似然比和脉冲计数对数似然比；
根据所述二进制振幅键控符号序列以及所述主节点无线光信号强度或所述从节点无线光信号的强度，计算得到所述二进制振幅键控符号序列的对数似然比，包括：
当从节点的接收模块接收到的所述主节点无线光信号强度或所述从节点无线光信号强度大于等于预定阈值时：
在所述二进制振幅键控符号序列中，信号0和信号1分别对应均值及方差为
Figure 474723DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 459997DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 504176DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 574900DEST_PATH_IMAGE004
的高斯分布；所述波形采样对数似然比计算公式为：
Figure 425045DEST_PATH_IMAGE005
其中：
Figure 999246DEST_PATH_IMAGE006
为所述波形采样对数似然比；
Figure 479905DEST_PATH_IMAGE007
为给定的每个所述二进制振幅键控符号采样后平均值；
Figure 693718DEST_PATH_IMAGE008
为信号0对应的均值及方差为
Figure 285236DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 979523DEST_PATH_IMAGE010
高斯分布的概率密度函数；
Figure 427822DEST_PATH_IMAGE011
为信号1对应的均值及方差为
Figure 207559DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 602768DEST_PATH_IMAGE013
高斯分布的概率密度函数；
当从节点的接收模块接收到的所述主节点无线光信号强度或所述从节点无线光信号强度小于预定阈值时：
根据所述二进制振幅键控符号序列，采用分时隙同步的方式，通过脉冲计数来实现信号采样，信号0和信号1分别对应均值为
Figure 823665DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 646128DEST_PATH_IMAGE015
的泊松分布，所述脉冲计数对数似然比计算公式为：
Figure 913161DEST_PATH_IMAGE016
其中：
Figure 908799DEST_PATH_IMAGE017
为脉冲计数对数似然比；
Figure 46519DEST_PATH_IMAGE018
为给定的每个所述二进制振幅键控符号里对应的脉冲数量；
Figure 305462DEST_PATH_IMAGE019
为符号0脉冲数量均值为
Figure 981163DEST_PATH_IMAGE020
的泊松分布下的密度函数；
Figure 718175DEST_PATH_IMAGE021
为符号1脉冲数量均值为
Figure 975981DEST_PATH_IMAGE022
的泊松分布下的密度函数。
2.根据权利要求1所述的协同定位方法，其特征在于，还包括：
主节点：
接收模块接收所述从节点发送的从节点无线光信号，并进行处理，得到接收到的其他节点对本节点的主节点观测信息；
根据所述主节点定位信息、所述主节点测距信息以及所述主节点观测信息，在所述数据融合模块进行数据融合处理，得到修正后的主节点协同定位信息；
从节点：
根据所述从节点定位信息和所述从节点测距信息在所述从节点的发送模块形成所述从节点无线光信号，并广播所述从节点无线光信号。
3.根据权利要求1所述的协同定位方法，其特征在于，主节点的传感器模块包括：定位模块和测距模块；所述定位模块包括：全球导航卫星系统和惯性导航系统；
所述通过传感器模块进行组合导航得到主节点定位信息和主节点测距信息，包括：
通过所述全球导航卫星系统和所述惯性导航系统进行组合导航，得到主节点定位信息；
通过所述测距模块，得到本节点与其他节点间的主节点测距信息。
4.根据权利要求1所述的协同定位方法，其特征在于，从节点的传感器模块包括：定位模块和测距模块；所述定位模块包括惯性传感器；
通过从节点的传感器模块得到从节点定位信息和从节点测距信息，包括：
通过所述惯性传感器得到从节点定位信息；
通过测距模块得到本节点与其他节点间的从节点测距信息。
5.根据权利要求1所述的协同定位方法，其特征在于，主节点的发送模块包括：编码模块、调制模块和全向光源；
根据所述主节点定位信息和所述主节点测距信息在发送模块形成主节点无线光信号，并广播所述主节点无线光信号；包括：
根据所述主节点定位信息和所述主节点测距信息生成二进制伪随机码，在发送模块的编码模块中采用低密度奇偶校验编码器进行编码，得到编码数据；
将所述编码数据传输到所述主节点的发送模块的调制模块，通过信号发生器进行二进制振幅键控调制，并加载到全向光源上，形成主节点无线光信号；
通过光源镜面向自由空间全向发射，广播所述主节点无线光信号。
6.根据权利要求1所述的协同定位方法，其特征在于，根据所述从节点定位信息、所述从节点测距信息以及所述从节点观测信息，在从节点的数据融合模块进行数据融合处理，得到修正后的从节点协同定位信息，包括：
根据所述从节点定位信息、所述从节点测距信息以及所述从节点观测信息，在从节点的数据融合模块采用基于联合分布状态的信息滤波算法，结合Cholesky矩阵分解算法，得到修正后的从节点协同定位信息。
7.一种基于无线光通信的协同定位系统，其特征在于，所述协同定位系统包括定位系统组网；所述定位系统组网包括多个节点；所述节点之间通过无线光通信；
所述节点包括：传感器模块、发送模块、接收模块和数据融合模块；
所述传感器模块包括：定位模块和测距模块；所述定位模块用于所述节点测定自身的定位信息；所述测距模块用于获得本节点与其他节点间的测距信息；
所述发送模块包括：编码模块、调制模块和全向光源；所述发送模块用于根据所述定位信息和所述测距信息在所述编码模块中得到二进制伪随机码，根据所述二进制伪随机码在调制模块中进行调制得到二进制振幅键控调制波形，所述全向光源用于向自由空间各个方向广播发送光信号；
所述接收模块包括：光电转换模块、模数转换模块和译码模块；所述接收模块用于将接收到的无线光信号通过所述光电转换模块转换为电信号，将所述电信号通过所述模数转换模块转换为数字信号，将所述数字信号通过译码模块进行译码得到接收到的其他节点对本节点的观测信息；
所述数据融合模块用于将节点自身的所述定位信息和接收到的观测信息、测距信息进行滤波融合，得到修正的协同定位信息；
所述节点包括：主节点和从节点；所述主节点的定位模块包括全球导航卫星系统和惯性导航系统，所述主节点的定位模块用于通过所述全球导航卫星系统和所述惯性导航系统的组合导航得到主节点定位信息；
所述主节点和所述从节点通过执行权利要求1至6中任一项所述基于无线光通信的协同定位方法进行定位。
8.根据权利要求7所述的协同定位系统，其特征在于，所述发送模块包括编码模块、调制模块和全向光源；所述编码模块用于将所述定位信息和所述测距信息生成二进制伪随机码，经低密度奇偶校验编码器进行编码；所述调制模块用于将编码后的数据通过信号发生器转换为二进制振幅键控调制波形；所述全向光源用于向自由空间各个方向广播发送无线光信号；
所述接收模块包括光电转换模块、模数转换模块和译码模块；所述光电转换模块用于接收无线光信号，并将无线光信号转换为模拟电信号；所述光电转换模块包括镜头、滤光片和光电倍增管；所述模数转换模块用于将所述模拟电信号转换为数字信号；所述译码模块用于恢复所述数字信号，得到接收到的其他节点对本节点观测信息。
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