CN112600621B - 一种远距离激光通信定位装置的通信定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种远距离激光通信定位装置，包括至少两个发射端和一个接收端；每个发射端包括激光器、信号调制系统、光束整形系统、转台及控制系统；信号调制系统将待传输的数据信息和定位信息加载到激光器上，激光器射出激光经过光束整形系统后形成激光光束，覆盖地面区域；接收端包括信号解调系统、光束接收系统及位置解算系统，光束接收系统收集发射端发射的激光信号，转换为电信号；信号解调系统根据获得信号，恢复出发射端的数据信息和定位信息；位置解算系统计算出接收端位置坐标；本发明还公开对应的通信定位方法；能够提供高速率、稳定、高保密性的通信服务，同时能够在复杂光照条件、封闭空间、复杂电磁环境下提供高精度的定位服务。

Description

一种远距离激光通信定位装置的通信定位方法

技术领域

本发明属于激光通信及无线定位技术领域，更具体地，涉及一种远距离激光通信定位装置及方法。

背景技术

激光通信定位技术是利用激光的单色性、方向性以及高速率等特点，能够实现定向信息传输，根据传输的信息，接收端可实时获取自身的位置，实现毫米级定位。传统的无线定位技术主要由基于无线电通信的定位技术、基于射频通信的定位技术、基于无线局域网的定位技术、基于紫峰协议(ZigBee)的定位技术、基于超声波的无线定位技术、基于蓝牙的无线定位技术以及基于可见光通信的定位技术。

常见的定位系统及装置如GPS、北斗等是基于无线电的定位技术，其在户外开阔环境具有很高的精度，但是在建筑聚集处或室内，信号衰减增大且多径现象严重，受限于建筑物遮挡和多径效应，无法提供高精度定位服务；导致其定位精度大幅下降。针对GPS、北斗等在城市内部及室内定位精度下降的问题，逐渐发展出的基于射频通信、局域网通信、超声波通信、蓝牙通信等定位技术，但是这些技术通信链路容易受到电磁干扰和窃听，无法提供高保密通信及定位服务，

上述无线定位技术容易被电磁干扰，部分频段资源受限、且定位精度不高，无法实现在无线电静默或封闭空间内的高精度定位。基于可见光通信的定位技术受限于背景杂散光的影响，无法在室外及复杂光照环境下的定位，同时受限于可见光调制技术，无法实现高速率下的通信定位。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，为了克服上述现有技术的缺点，本发明为弥补城市及室内室外现有定位技术的不足，旨在提供一种远距离激光通信定位技术及装置，能够在室内封闭环境、室外环境复杂背景光条件下提供稳定可靠的信息通信服务和高精度的定位服务。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种远距离激光通信定位装置，包括一号发射端、二号发射端和一个接收端；

一号发射端包括激光器、信号调制系统、光束整形系统、转台及控制系统；发射端能够实时发送定位信息和数据信息，所述信号调制系统将待传输的数据信息和定位信息加载到激光器上，所述激光器经调制后出射激光，出射激光经过光束整形系统后形成激光光束，覆盖地面区域；所述转台及控制系统能够控制激光光束实现地面360°覆盖；二号发射端和一号发射端结构相同；

接收端包括信号解调系统、光束接收系统及位置解算系统，所述光束接收系统能够收集发射端发射的激光信号，并将其转换为电信号；所述信号解调系统根据获得信号，恢复出发射端的数据信息和定位信息；所述位置解算系统能够在接收端获得至少两个发射端的定位信息时，根据每个发射端的定位信息，计算出接收端位置坐标。

进一步的，每个发射端包含至少1个激光器，其具体实施方式根据地面覆盖范围可选择多个激光器。

进一步的，所述定位信息包括发射端自身的编号、位置、角度、时间及与定位相关的信息；所述数据信息包括文字、图像、语音、控制指令信息。

进一步的，每个发射端底部设置发射端基座；所述接收端底部设置接收端基座。

进一步的，所述信号调制系统包括模拟调制和数字调制，其具体实施的调制方式包含但不限于强度调制、相位调制、频率调制及偏振调制等，所述信号调制系统其功能是将待传输的数字信息和定位信息进行调制并加载到激光器上。

进一步的，所述光束整形系统包括准直镜、反射镜及鲍威尔棱镜，鲍威尔棱镜的角度包括但不限于30°、45°、60°、75°、90°、110°等；所述光束整形系统其功能是将激光器发射激光整形为线激光束，并以一定角度投射至地面。

进一步的，所述转台及控制系统包括电机、电机驱动器、滑环、编码器及光电开关；所述转台及控制系统其功能是实现激光束在地面0.5m～40m范围内的扫描覆盖。

进一步的，所述接收端的光束接收系统包括全向接收镜头、鱼眼镜头、保护球罩，所述光束接收系统其功能是能够在发射激光束地面覆盖区域内收集发射端发射的激光信号，并将其转换为电信号。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本发明的远距离激光通信定位装置及方法，结合激光通信技术的高速率、抗干扰和保密性好等特点，能够提供高速率、稳定的通信定位服务，同时利用激光的单色性，能够在复杂光照条件下实现信息的传输定位，适应于封闭空间、复杂电磁环境及无线电静默、复杂光照条件下实时通信和高精度定位。

2.本发明的远距离激光通信定位装置及方法，能够在进行高速率通信的同时，实现接收端的高精度定位；该技术可实现室内/室外定位的无缝对接、能够在复杂电磁环境和光照环境下提供高速率、高保密性的通信服务和高精度的定位服务。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的结构示意图(两个发射端和一个接收端情形)；

图2为本发明另一较佳实施例的结构示意图(六个发射端和两个接收端情形)；

图3为本发明基于AOA的定位算法示意图；

本发明中同一个附图标记表示相同的元件名称，其中：1-一号发射端、11-激光器、12-信号调制系统、13-光束整形系统、14-转台及控制系统、2-接收端、21-光束接收系统、22-信号解调系统、23-位置解算系统、3发射端基座、4-接收端基座、5通信定位区域、6-二号发射端。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供一种远距离激光通信定位装置，包括至少两个发射端和一个接收端2；

设发射端的个数为两个，分别是一号发射端1和二号发射端6，每个发射端1包括激光器11、信号调制系统12、光束整形系统13、转台及控制系统14；发射端能够实时发送定位信息和数据信息，所述信号调制系统12将待传输的数据信息和定位信息加载到激光器11上，所述激光器11经调制后出射激光，出射激光经过光束整形系统后形成激光光束，覆盖地面区域；所述转台及控制系统14能够控制激光光束实现地面360°覆盖；二号发射端6和一号发射端1结构相同；所述5为两发射端构建的通信定位区域。

接收端2包括信号解调系统21、光束接收系统22及位置解算系统23，所述光束接收系统22能够收集发射端发射的激光信号，并将其转换为电信号；所述信号解调系统21根据获得信号，恢复出发射端的数据信息和定位信息；所述位置解算系统23能够在接收端获得至少两个发射端的定位信息时，根据每个发射端的定位信息，计算出接收端位置坐标。

所述定位信息包括发射端自身的编号、位置、角度、时间及与定位相关的信息。

所述数据信息包括文字、图像、语音、控制指令相关信息。

作为一种优选方案，为了增加发射端和接收端高度，每个发射端底部设置发射端基座3；所述接收端2底部设置接收端基座4。

作为一种优选方案，单个发射端为覆盖半径0.5m至40m通信定位范围，可选择至少一个激光器或多个激光器组合的方式。

作为一种优选方案，所述信号调制系统12包括模拟调制和数字调制，其具体实施的调制方式包含但不限于强度调制、相位调制、频率调制及偏振调制等，所述信号调制系统12的功能是将待传输的数字信息和定位信息进行调制并加载到激光器上。

作为一种优选方案，所述光束整形系统13包括准直镜、反射镜及鲍威尔棱镜，鲍威尔棱镜的角度包括但不限于30°、45°、60°、75°、90°、110°等；所述光束整形系统13的功能是将激光器发射激光整形为线激光束，并以一定角度投射至地面。

作为一种优选方案，所述发射端的转台及控制系统14包括电机、电机驱动器、滑环、编码器及光电开关；所述转台及控制系统14的功能是实现激光束在地面半径0.5m～40m范围内的扫描覆盖。

作为一种优选方案，所述接收端的光束接收系统21包括全向接收镜头、鱼眼镜头、保护球罩，所述光束接收系统21的功能是能够在发射激光束地面覆盖区域内收集发射端发射的激光信号，并将其转换为电信号。

作为一种优选方案，所述信号解调系统22包含但不限于模拟解调和数字解调，其具体实施的解调方式包含但不限于强度解调、频率解调、相位解调及偏振解调，所述信号解调系统22的功能是将接收端收到的电信号进行解调，并恢复出数据信息和定位信息。

作为一种优选方案，所述位置解算系统23包含但不限于FPGA、DSP等数据处理系统，所述位置解算系统其功能是根据接收端获得的定位信息，采用相应的定位算法，计算出接收端的位置坐标。

作为一种优选方案，定位算法包含但不限于基于TOA的定位算法、基于TDOA的定位算法、基于AOA的定位算法以及基于RSS定位算法，所述定位算法可由接收端根据收到定位信息，根据相应的参数自主选择定位计算模型并进行位置计算；考虑到AOA算法是硬件要求最简单的算法，实际采用了改进的AOA算法，也取得了良好的应用效果，具体见公式(1)、(2)、(3)。

作为一种优选方案，激光器11的波长范围覆盖400nm～1600nm，其中心波长包含但不限于400nm、532nm、780nm、850nm、910nm、1064nm、1530nm、1550nm激光通信波段；所述激光器的类型包含但不限于半导体激光器、固体激光器、气体激光器；所述激光器其功能是作为信息传输的载体，实现信息的传输。

本方案也可通过多个发射端和接收端，构建出地面大范围激光通信定位网，在激光通信定位网内，实现信息通信及位置定位。

上述的远距离激光通信定位装置的通信定位方法，至少两个发射端通过信号调制系统将待传输的数据信息和定位信息加载到激光器11上，激光器11发射激光，激光经过光束整形系统13整形为线激光，线激光束覆盖地面一定长度线区域，转台及控制系统14控制线激光束覆盖地面圆形区域，圆形区域范围可覆盖直径1m至80m。每个发射端的位置已知，至少两个发射端在地面覆盖区域的交叉位置作为激光通信定位区域，接收端2位于构建好的激光通信定位区域。接收端2通过光束接收系统收集发射端发射的激光信号，并将其转换为电信号，接收端2通过信号解调系统21恢复出每个发射端发送的数据信息和定位信息，并根据数字信息的内容执行相应显示和执行动作，当接收端2收到至少两个发射端的定位信息时，接收端2解调出每个发射端的编号、位置、角度、时间等定位信息，并通过位置解算系统计算接收端的位置坐标。

位置解算系统计算出接收端的位置坐标的方法为:设发射端的个数为两个，分别是一号发射端1和二号发射端6，一号发射端1和二号发射端6坐标已知，其转台零位方向已知，接收端2的坐标未知，θ₁和θ₂为一号发射端1和二号发射端6由其零位旋转至接收端2时的旋转角度，在平面内，两条直线的交点即为接收端2的坐标,设一号发射端1的坐标为(x₁,y₁),二号发射端6的坐标为(x₂,y₂)，接收端2的坐标为(x_s,y_s),一号发射端初始零位角度在O-XY坐标系中与Y轴的夹角为θ₁₀，二号发射端6的初始零位在O-XY坐标系中与Y轴的夹角为θ₂₀；一号发射端1从其零位旋转至θ₁时，接收端2收到一个发射端的信号，二号发射端6从其零位旋转至θ₂时，接收端2收到另外一个发射端的信号，根据平面直线方程，可得到以下公式：

对上述公式进行变换，可写成如下形式：

接收端在收到至少两个发射端的角度信息时，根据上述公式，使用最小二乘法可计算出接收端在当前通信定位区域内的坐标(x_s,y_s)。

实施例1：

请参考图1所示，一种远距离激光通信定位装置，由至少两个发射端和一个接收端组成，其具体组成包括：发射端1、激光器11、信号调制系统12、光束整形系统13、转台及控制系统14、接收端2、光束接收系统21、信号解调系统22、位置解算系统23、发射端基座3、接收端基座4、通信定位区域5。

所述激光器11为850nm半导体激光器，待传输的数据信息和定位信息经强度调制系统12调制后加载到激光器11，激光器11发射激光，激光经光束整形系统13整形后发射线激光，线激光角度为60°，线激光以一定角度出射后覆盖地面一长条区域；发射端基座3顶部，旗杆高度为3m，发射端基座3可采用旗杆、立柱等方式固定发射端。线激光经转台及控制系统14控制旋转，在地面扫描一圆形区域，圆形区域半径为30m。两个发射端地面扫描区域交叉处为通信定位区域5。

接收端安置在接收端基座4顶部，接收端位于通信定位区域5内，光束接收系统21收集激光信号，经信号解调系统22解调后恢复数据信息和定位信息，当接收端收到至少两个发射端激光信号时，由位置解算系统23解算出设备9在定位区域内的位置坐标。

本实施案例中，发射端激光器11的中心波长为850nm，采用强度调制方式，通信速率为30Mbps，光束整形系统整形后线激光的角度为60°，转台的转速为1转/秒，线激光在地面覆盖范围是半径为30m的圆形区域，两个发射端交叉区域为椭圆形。接收端光束接收系统采用全向接收镜头，在通信定位区域内均可获得激光信号，信号解调系统和位置解算系统由FPGA组成，能实时恢复出数据信息和定位信息，并解算出接收端的坐标。

实施例2：

请参考图2所示，所述一种远距离激光通信定位技术及装置固定在封闭空间内(如厂房、车间、矿区等)，由六个发射端和两个接收端组成，其具体组成包括：发射端1、激光器11、信号调制系统12、光束整形系统13、转台及控制系统14、接收端2、光束接收系统21、信号解调系统22、位置解算系统23、发射端基座3、接收端基座4、通信定位区域5。所述示例由六个发射端构成地面通信定位区域，地面通信定位区域长50m，宽25m。

所述激光器11为910nm半导体激光器，待传输的数据信息和定位信息经强度调制系统12调制后加载到激光器11，激光器11发射激光，激光经光束整形系统13整形后发射线激光，线激光角度为75°，线激光以一定角度出射后覆盖地面一长条区域。发射端基座5，高度为5m。线激光经转台及控制系统14控制旋转，在地面扫描一圆形区域，圆形区域半径为40m。六个发射端地面扫描区域交叉处为通信定位区域5。

接收端安置在接收端基座4顶部，接收端基座4可以采用AGV无人车，接收端位于通信定位区域5内，光束接收系统6收集激光信号，经信号解调系统7解调后恢复数据信息和定位信息，当接收端收到至少两个发射端激光信号时，由位置解算系统8解算出设备9在定位区域内的位置坐标。

通过优化发射端激光束的地面覆盖范围和接收端的接收范围，通过优化发射端和接收端的数量，构建激光通信地面网络，位于激光通信定位区域内的设备和产品，可通过接收端实时获取其自身坐标和位置，通过发射端发射数据信息，可实时对定位区域内的设备和产品发送数据信息。

激光通信定位技术及装置则利用激光通信技术的高速率、高带宽及抗电磁干扰特性，采用高精度定位算法，能够不受频率资源约束，实现室内室外通信定位的无缝衔接，可适用于无线电静默、封闭空间等特殊场景，以及无人港口、矿井作业、自动驾驶、高精度车道级通信导航等领域。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平"、“页”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二"等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、"第二"等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种远距离激光通信定位装置的通信定位方法，其特征在于：至少两个发射端通过信号调制系统将待传输的数据信息和定位信息加载到激光器(11)上，激光器(11)发射激光，激光经过光束整形系统(13)整形为线激光，线激光束覆盖地面定长度线区域，转台及控制系统(14)控制线激光束覆盖地面圆形区域，圆形区域范围覆盖直径1m至80m；每个发射端的位置已知，至少两个发射端在地面覆盖区域的交叉位置作为激光通信定位区域，接收端(2)位于构建好的激光通信定位区域；接收端通过光束接收系统(22 )收集每个发射端发射的激光信号，并将其转换为电信号，接收端(2)通过信号解调系统(21)恢复出每个发射端发送的数据信息和定位信息，并根据数字信息的内容执行相应显示和执行动作，当接收端(2)收到至少两个发射端的定位信息时，接收端(2)解调出每个发射端的编号、位置、角度、时间定位信息，并通过位置解算系统计算接收端的位置坐标；

所述位置解算系统计算出接收端的位置坐标的方法为:设发射端的个数为两个，分别是一号发射端(1)和二号发射端(6)，一号发射端(1)和二号发射端(6)坐标已知，其转台零位方向已知，接收端(2)的坐标未知，θ₁和θ₂为一号发射端(1)和二号发射端(6)由其零位旋转至接收端(2)时的旋转角度，在平面内，两条直线的交点即为接收端(2)的坐标,设一号发射端(1)的坐标为(x₁,y₁),二号发射端(6)的坐标为(x₂,y₂)，接收端(2)的坐标为(x_s,y_s),一号发射端初始零位角度在O-XY坐标系中与Y轴的夹角为θ₁₀，二号发射端(6)的初始零位在O-XY坐标系中与Y轴的夹角为θ₂₀；一号发射端(1)从其零位旋转至θ₁时，接收端(2)收到一个发射端的信号，二号发射端(6)从其零位旋转至θ₂时，接收端(2)收到另外一个发射端的信号，根据平面直线方程，可得到以下公式：

对上述公式进行变换，可写成如下形式：

接收端(2)在收到一号发射端(1)和二号发射端(6)的角度信息时，根据上述公式，使用最小二乘可计算出接收端在当前通信定位区域内的坐标(x_s,y_s)；

上述远距离激光通信定位装置的通信定位方法所用装置包括一号发射端(1)、二号发射端(6)和一个接收端(2)；

一号发射端(1)包括激光器(11)、信号调制系统(12)、光束整形系统(13)、转台及控制系统(14)；发射端实时发送定位信息和数据信息，所述信号调制系统(12)将待传输的数据信息和定位信息加载到激光器(11)上，所述激光器(11)经调制后出射激光，出射激光经过光束整形系统(13)后形成激光光束，覆盖地面区域；所述转台及控制系统(14)控制激光光束实现地面360°覆盖；二号发射端(6)和一号发射端(1)结构相同；

接收端(2)包括信号解调系统(21)、光束接收系统(22)及位置解算系统(23)，所述光束接收系统(22)收集发射端发射的激光信号，并将其转换为电信号；所述信号解调系统(21)根据获得信号，恢复出发射端的数据信息和定位信息；所述位置解算系统(23)在接收端获得至少两个发射端的定位信息时，根据每个发射端的定位信息，计算出接收端位置坐标。

2.根据权利要求1所述的远距离激光通信定位装置的通信定位方法，其特征在于：每个发射端包含至少1个激光器。

3.根据权利要求1所述的远距离激光通信定位装置的通信定位方法，其特征在于：所述定位信息包括发射端自身的编号、位置、角度、时间及与定位相关的信息,所述数据信息包括文字、图像、语音、控制指令信息。

4.根据权利要求1所述的远距离激光通信定位装置的通信定位方法，其特征在于：每个发射端底部设置发射端基座(3)；所述接收端(2)底部设置接收端基座(4)。

5.根据权利要求1所述的远距离激光通信定位装置的通信定位方法，其特征在于：所述信号调制系统(12)包括模拟调制和数字调制，其具体实施的调制方式包含但不限于强度调制、相位调制、频率调制及偏振调制，所述信号调制系统其功能是将待传输的数字信息和定位信息进行调制并加载到激光器上。

6.根据权利要求1所述的远距离激光通信定位装置的通信定位方法，其特征在于：所述光束整形系统(13)包括准直镜、反射镜及鲍威尔棱镜，鲍威尔棱镜的角度包括但不限于30°、45°、60°、75°、90°、110°；所述光束整形系统(13)的功能是将激光器发射激光整形为线激光束，并以设定角度投射至地面。

7.根据权利要求1所述的远距离激光通信定位装置的通信定位方法，其特征在于：所述转台及控制系统(14)包括电机、电机驱动器、滑环、编码器及光电开关；所述转台及控制系统的功能是实现激光束在地面半径0.5m～40m范围内的扫描覆盖。

8.根据权利要求1所述的远距离激光通信定位装置的通信定位方法，其特征在于：所述接收端的光束接收系统(22)包括全向接收镜头、鱼眼镜头及保护球罩，所述光束接收系统(22)的功能是能够在发射激光束地面覆盖区域内收集发射端发射的激光信号，并将其转换为电信号。

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