CN115685068A - 一种室内无线光定位方法、装置及系统 - Google Patents

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CN115685068A CN202211212528.6A CN202211212528A CN115685068A CN 115685068 A CN115685068 A CN 115685068A CN 202211212528 A CN202211212528 A CN 202211212528A CN 115685068 A CN115685068 A CN 115685068A
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Abstract

本发明涉及室内定位技术领域，尤其是指一种室内无线光定位方法、装置及系统。本发明将无线光通信和定位相融合，利用信道估计得到的信息进行定位，充分利用了通信资源，两组光源使用时分复用的方式，轮流和接收机进行通信，只需要两个时隙，完成定位，使用时无需占用额外的通信资源来传输定位信息，节省了通信资源；可应用于不同的室内场景，只需通过信道估计得到时域冲激响应，无论室内环境有多复杂，都能实现精确的无线光室内定位；利用到达时间差，使用TDOA的方法进行定位，降低了对发射端和接收端的时间同步的需求，系统可移植性好，大大降低了硬件的复杂度，降低了成本。

Description

一种室内无线光定位方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及室内定位技术领域，尤其是指一种室内无线光定位方法、装置及系统。
背景技术
随着智能手机数量的不断增长，物联网、虚拟现实等技术的不断发展，需要追踪室内环境中密切接触人的位置，高精度室内定位的变得越来越重要。用于室外定位的卫星定位技术，由于其信号在穿越墙壁时会经历严重的衰减，无法在室内环境中提供精准定位。近年来，许多新型室内定位技术不断发展，包括Wi-Fi定位、超声波传感器定位、蓝牙定位、RFID定位、基于无线光通信的可见光定位等。
基于指纹库识别法的可见光定位方案是一种常见的方案，该方案预先采集各个待定位点的特征信息，建立成库。在定位过程中，通过比对采集到的特征信息和库中存储的特征信息，进行定位。基于指纹库识别法的定位方法分为两个过程，第一个过程是在定位空间中选择一些特定位置作为参考点，每个参考点的特征不同，用这些特征构建指纹库。第二个过程是在实际定位时，用待定位点的特征和指纹库中的特征对比，从而估算出带定位点的位置。这种方法，前期构建指纹库的工作十分繁琐，耗时长，且应用环境是特定的，可移植性差。
另外一种广泛应用的定位方案是几何测量法。这种定位方法又分为基于角度的定位方法和基距离的定位方法。基于到达角度(AOA)的定位方法需要测量发射端和接收端之间的夹角。基于距离的定位方法的关键是找到发射端和接收端的距离关系。距离关系可以通过到达时间(TOA)，接收信号强度 (RSS)等方法确定。几何测量法中基于距离的定位方法，在采用TOA获取距离时，需要收发机之间或光源之间保持严格的时间同步，这增加了系统的实现复杂度。几何测量法中基于AOA的定位方法，需要对接收机阵列进行一定改造以获取角度，硬件复杂度较高，且较小的角度测量误差会带来较大的定位误差。
基于图像传感器的定位方案也是一种常用的方案。该方法的接收端是由图像传感器和一个透镜组成，透镜的中心就是待测点。由于不同LED经过透镜后在图像传感器上显示的位置不同，通过对图像传感器上的LED的成像和发射端LED的几何关系分析，完成定位。算法复杂度较高，响应速率也相对较慢。
无线光室内定位技术以其成本低，无电磁干扰，安全性好，定位精度高
(可达厘米级别)等优点，在这些室内定位技术中脱颖而出。然而当前的无线光室内定位技术大多基于时分复用或者频分复用的方法，以此区分不同灯的信号，完成定位。时分复用至少需要三个时隙发送信号，频分复用至少需要三个不同的频率发送信号，并且未将通信和定位结合在一起考虑，只是单独考虑定位，功能单一，忽略了通信这一重要需求，浪费了通信资源。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中未充分利用通信资源、可移植性差、硬件复杂度高、成本大的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种室内无线光定位方法，包括：
S1:选取不同的两组均匀分布在室内天花板上的光源发射机，并至少保证每组中的光源发射机数量不小于3，且不在同一条直线上；
S2:根据第一组光源发射机在第一时隙中发送至接收机的通信信号，进行信道估计，并将信道估计的频域信息转变为时域冲激响应的形式，得到第一信道估计结果；
S3:根据所述第一信道估计结果，在时域中选取峰值最大的三个视距链路脉冲作为第一组脉冲，并根据所述第一组脉冲计算其对应的三个光源发射机所发出的信号，从发送到被所述接收机接收的时间之间的第一组时间差值；
S4:根据所述第一组时间差值，利用TDOA算法对所述接收机进行定位，求解得到第一组接收机坐标；
S5:对在第二时隙发送通信信号的第二组光源发射机重复S2-S4的步骤，得到第二组接收机坐标；
S6:找到所述第一组接收机坐标和所述第二组接收机坐标之间距离最近的一对坐标，并选择这对坐标中任意一个坐标作为接收机最终定位。
优选地，所述根据第一组光源发射机在第一时隙中发送至接收机的通信信号，进行信道估计，并将信道估计的频域信息转变为时域冲激响应的形式，得到第一信道估计结果包括：
当所述接收机接收到所述光源发射机发送的通信信号后，将所述通信信号转换为电信号并进行模数转换和滤除直流偏置，得到接收信号；
对加窗后的接收信号y(n)进行离散傅里叶变换，得到频域中的接收信号 Y(K)＝DFT[y(n)]＝X(K)*H(K)+W(K)K＝1,2....N，其中，加窗长度为N，N表示DFT 的点数，和子载波个数相同，Y(K)表示第K个子载波接收的导频符号，X(K)表示第K个子载波发送的导频符号，W(K)是噪声；
根据所述频域中的接收信号计算频域响应的信道估计
Figure BDA0003872419190000031
Figure BDA0003872419190000032
其中，
Figure BDA0003872419190000033
是Y(k)加上噪声后的估计值，j为虚数单位，q为加窗位置偏移量；
取频域响应的前一半序列进行共轭对称：
Figure BDA0003872419190000034
并进行离散傅里叶逆变换得到时域冲激响应的信道估计：
Figure BDA0003872419190000035
其中，
Figure BDA0003872419190000036
表示的是时刻i对应的信道冲激响应，n为采样点数。
优选地，所述根据第一组光源发射机在第一时隙中发送至接收机的通信信号，进行信道估计，并将信道估计的频域信息转变为时域冲激响应的形式，得到第一信道估计结果后还包括：
对所述第一信道估计结果进行均值除噪。
优选地，所述根据所述第一信道估计结果，在时域中选取峰值最大的三个视距链路脉冲作为第一组脉冲，并根据所述第一组脉冲计算其对应的三个光源发射机所发出的信号，从发送到被所述接收机接收的时间之间的第一组时间差值包括：
根据所述第一信道估计结果，在时域中选取峰值最大的三个视距链路脉冲，将所述三个视距链路脉冲对应的三个光源发射机记为第一光源发射机L1，第二光源发射机L2，第三光源发射机L3，将所述三个视距链路脉冲对应的采样点下标记为第一采样点下标n1，第二采样点下标n2，第三采样点下标n3；
假设n1>n2>n3，计算从L1发出通信信号到接收机接收到该通信信号的时间和L2发出通信信号到接收机接收到该通信信号的时间之间的时间差值Δt1＝ (n1-n2)*Ts，其中，Ts为采样周期；
计算从L1发出通信信号到接收机接收到该通信信号的时间和L3发出通信信号到接收机接收到该通信信号的时间之间的时间差值Δt2＝(n1-n3)*Ts。
优选地，所述根据所述第一组时间差值，利用TDOA算法对所述接收机进行定位，求解得到第一组接收机坐标包括：
根据所述第一组时间差值列写方程组：
Figure BDA0003872419190000041
其中，c表示光速，xi i∈1，2，3表示L1，L2，L3的横坐标，yi i∈1，2，3表示L1，L2，L3的纵坐标，zi i∈1，2，3表示L1，L2，L3的高度坐标，xr表示接收机的横坐标，yr表示接收机的纵坐标，zr表示接收机的高度坐标；
从第一组光源发射机中随机选出三个光源发射机，并进行排列组合，得到多组L1，L2，L3的三维坐标值；
根据所述多组L1，L2，L3的三维坐标值，在只考虑二维定位的情况下，利用CHAN’S方法或Fang’s方法求解所述方程组得到
Figure BDA0003872419190000042
个解，即第一组接收机坐标，其中，M1为第一组光源发射机的数量。
优选地，所述利用CHAN’S方法求解所述方程组包括：
将所述方程组转换为线性方程组：
Figure BDA0003872419190000051
并进行变形得到xr，yr，R1之间的关系：
Figure BDA0003872419190000052
其中，R2,1＝c*Δt1，表示L1到接收机的距离和L2到接收机的距离之差，R3,1＝ c*Δt2，表示L1到接收机的距离和L3到接收机的距离之差，R1表示L1到接收机的距离；
将所述xr，yr，R1之间的关系带入公式：
Figure BDA0003872419190000053
得到一个关于R1的一元二次方程
Figure BDA0003872419190000054
进行求解得到R1的值，并带入所述线性方程组，求解得到接收机的坐标，其中，a，b，c1均为常数。
优选地，所述利用Fang’s方法求解所述方程组包括：
建立一个新的坐标系，使得L1位于坐标原点(0，0)，使得L2位于(X2，0),L3 位于(X3，Y3)，则L1到接收机的距离R1可表示为：
Figure BDA0003872419190000055
L2，L3到接收机的距离可表示为：
Figure BDA0003872419190000056
其中，Ri,1表示Li到接收机的距离和L1到接收机的距离之差；
将式(1)代入式(2)中可得：
Figure BDA0003872419190000057
Figure BDA0003872419190000058
根据式(3)和式(4)找到接收机横坐标和纵坐标之间的关系：
yr＝g·xr+p (5)
其中，系数g＝(R3,1X2/R2,1-X3)/Y3，系数
Figure BDA0003872419190000059
Figure BDA00038724191900000510
将式(5)代入式(3)，得到最终待求解的方程：
Figure BDA00038724191900000511
对其进行求解得到接收机坐标；
其中，系数d＝-{1-(X2/R2,1)2+g2}，系数e＝X2{1-(X2/R2,1)2}-2gp，系数
Figure BDA0003872419190000061
Figure BDA0003872419190000062
本发明还提供了一种室内无线光定位装置，包括：
光源发射机组选取模块，用于选取不同的两组均匀分布在室内天花板上的光源发射机，并至少保证每组中的光源发射机数量不小于3，且不在同一条直线上；
信道估计模块，用于根据第一组光源发射机在第一时隙中发送至接收机的通信信号，进行信道估计，并将信道估计的频域信息转变为时域冲激响应的形式，得到第一信道估计结果；根据第二组光源发射机在第二时隙中发送至接收机的通信信号，进行信道估计，并将信道估计的频域信息转变为时域冲激响应的形式，得到第二信道估计结果；
时间差提取模块，用于根据所述第一信道估计结果，在时域中选取峰值最大的三个视距链路脉冲作为第一组脉冲，并根据所述第一组脉冲计算其对应的三个光源发射机所发出的信号，从发送到被所述接收机接收的时间之间的第一组时间差值；根据所述第二信道估计结果，在时域中选取峰值最大的三个视距链路脉冲作为第二组脉冲，并根据所述第二组脉冲计算其对应的三个光源发射机所发出的信号，从发送到被所述接收机接收的时间之间的第二组时间差值；
坐标计算模块，用于利用TDOA算法对所述接收机进行定位，根据所述第一组时间差值求解得到第一组接收机坐标，根据所述第二组时间差值求解得到第二组接收机坐标；
定位模块，用于找到所述第一组接收机坐标和所述第二组接收机坐标之间距离最近的一对坐标，并选择这对坐标中任意一个坐标作为接收机最终定位。
本发明还提供了一种室内无线光定位系统，包括：
均匀安装在室内天花板上的多个光源发射机；
如上述的室内无线光定位装置，用于利用所述多个光源发射机定位设置有接收机的物品或设备。
优选地，所述室内无线光定位系统应用于地下停车场的汽车定位，所述光源发射机为LED灯，所述接收机为安装于汽车上的光电探测器。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的室内无线光定位方法，利用信道状态信息实现无线光室内定位，即利用两组灯在两个不同时隙通信时，对通信过程中的信道信息进行信道估计，之后通过到达时间差的方法(TDOA)进行定位，实现精确的无线光室内定位。本发明将无线光通信和定位相融合，利用信道估计得到的信息进行定位，充分利用了通信资源，两组光源使用时分复用的方式，轮流和接收机进行通信，只需要两个时隙，完成定位，使用时无需占用额外的通信资源来传输定位信息，节省了通信资源；可应用于不同的室内场景，只需通过信道估计得到时域冲激响应，无论室内环境有多复杂，都能实现精确的无线光室内定位；利用到达时间差，使用TDOA的方法进行定位，降低了对发射端和接收端的时间同步的需求，系统可移植性好，大大降低了硬件的复杂度，降低了成本。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1是本发明所述的室内无线光定位的实现流程图；
图2是一种实施例提供的室内无线光定位系统图；
图3是一种实施例提供的信道的频域响应示意图；
图4是一种实施例提供的时域冲激响应示意图；
图5是二维定位结果示意图；
图6为本发明实施例提供的一种室内无线光定位装置的结构框图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种室内无线光定位方法、装置及系统，充分利用了通信资源，可移植性好，大大降低了硬件的复杂度，降低了成本。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在通信的过程中，每组光源发射机在不同的时隙中和接收机通信，向接收机发送通信信息。接收机利用接收到的通信信息，进行信道估计。我们对信道估计的结果进行离散傅里叶逆变换(IDFT)，将信道估计的频域信息变为时域冲激响应的形式。在时域中，选取峰值最大的三个视距链路脉冲，利用这三个脉冲，计算出不同光源发射机到接收机的时间差。之后通过到达时间差的方法(TDOA)进行定位，算出第一组解。接着利用第二个时隙进行同样的过程，计算出第二组解。找到这两组解之间最接近的一个坐标，该坐标就是室内定位的结果。
请参考图1，图1为本发明所提供的室内无线光定位方法的实现流程图；具体操作步骤如下：
S101:选取不同的两组均匀分布在室内天花板上的光源发射机，并至少保证每组中的光源发射机数量不小于3，且不在同一条直线上；
发射端光源均匀分布在天花板上，随着房间的增大，适当增加光源，以同时满足通信、定位和照明的需求；
将M个光源分成两组，第一组有光源M1个，第二组有光源M2个。这两组光源使用时分复用的方式，轮流和接收机进行通信，只需要两个时隙，完成定位；
在使用TDOA进行定位的过程中，在时隙1时，从M1个光源中选取3个光源，同样的，时隙2中，从M2个光源中选取3个光源，因此，每组中的光源发射机数量不小于3，且不在同一条直线上，以保证TDOA定位的方法是有解的，此外两次时隙选取的光源不能完全一样且需要能保证排除对称解。
S102:根据第一组光源发射机在第一时隙中发送至接收机的通信信号，进行信道估计，并将信道估计的频域信息转变为时域冲激响应的形式，得到第一信道估计结果；
随机生成一组发射端(即光源发射机)和接收端(即接收机)都已知的长度为N/2-1的二进制序列，其中，N为OFDM子载波个数；
对所述二进制序列进行调制，得到导频序列
Figure BDA0003872419190000091
序列中的元素表示调制后的一个符号，如果调制方式是QAM调制，就是1个QAM符号；
对所述导频序列进行共轭对称，生成共轭对成序列：
Figure BDA0003872419190000092
对所述共轭对成序列进行离散傅里叶逆变换得到导频序列在时域中对应的离散序列，并对所述离散序列加入循环前缀，得到发射端OFDM符号xcp(n)，对所述发射端OFDM符号进行数模(D/A)转换，得到发射端OFDM符号的波形x(t)，对所述波形加上直流偏置，生成用于调制光源发射机光强度的第一电信号xDC(t)，将所述第一电信号经过光源发射机生成光信号，所述光信号即为所述通信信号；
所述通信信号在空间中的信道传输，在接收端由光电转换器将光信号转换为第二电信号
Figure BDA0003872419190000093
其中，w(t)是噪声的强度，R是光电转换系数，h(t)是无线光信道的传递函数，可表示为：
Figure BDA0003872419190000094
其中，Nl表示通信过程中使用的光源发射机个数，由于之后的求解是分两个时隙，在两个时隙下，Nl的值分别为M1和M2，Hi(0)表示第i个灯到接收机的直流增益， c表示光速，Di表示第i个灯到接收机的距离，t表示时间，发射端开始发送信息的时刻时间为0，在
Figure BDA0003872419190000095
时，h(t)不为0，是因为有个发射端的信息被接收端接收到了。在没有噪声的情况下，其余时间t，h(t)均为0；
在接收端对yDC(t)进行模数(A/D)转换，以Ts为采样周期进行采样
Figure BDA0003872419190000101
Figure BDA0003872419190000102
其中，
Figure BDA0003872419190000103
为卷积符号，n为采样点的个数。
为了方便表述，将光电转换系数置为1。在接收端滤除直流偏置，得到接收信号ycp(n)；
对ycp(n)加窗(假设接收端加窗位置和发射端是完美的)，对加窗之后的信号y(n)进行离散傅里叶变换DFT，将时域离散的信号变到频域中处理，得到频域中的接收信号:Y(K)＝DFT[y(n)]＝X(K)*H(K)+W(K) K＝1,2....N，其中，加窗长度为N(实际情况中加窗位置不可能是完美的，一定存在偏移。由于循环卷积， y(n)可以看成以长度N为周期的序列，所以只要y(n)加窗的长度为N，就能保证截取一个周期的信息。只要加窗长度为N，即使存在偏移，也不影响频域响应的频谱的幅值，只影响频域响应的相位。对频域响应相位的影响，最终在时域中表现为信道的时域冲激响应的整体偏移，这是由DFT的时域循环位移定理确定的)，N表示DFT的点数，和子载波个数相同，Y(K)表示第K个子载波接收的导频符号，X(K)表示第K个子载波发送的导频符号，W(K)是噪声；
根据所述频域中的接收信号计算频域响应的信道估计
Figure BDA0003872419190000104
Figure BDA0003872419190000105
其中，
Figure BDA0003872419190000106
是Y(K)加上噪声后的估计值，j为虚数单位，q为加窗位置偏移量；
对于式
Figure BDA0003872419190000107
其中第一项和N/2项，由于发送的序列为0，除以0会是无穷大，这些位置在信道估计时置为0，取频域响应的前一半序列进行共轭对称：
Figure BDA0003872419190000108
并进行离散傅里叶逆变换得到时域冲激响应的信道估计：
Figure BDA0003872419190000109
其中，
Figure BDA00038724191900001010
表示的是时刻i对应的信道冲激响应，n为采样点数。
S103:根据所述第一信道估计结果，在时域中选取峰值最大的三个视距链路脉冲作为第一组脉冲，并根据所述第一组脉冲计算其对应的三个光源发射机所发出的信号，从发送到被所述接收机接收的时间之间的第一组时间差值；
假设本系统有M个光源发射机，第一通信时隙中的M1个光源发射机到接收机的时域冲激响应的估计值，是包含噪声的。M1个光源发射机到接收机的时域冲激响应表现为幅值较高的脉冲信号，噪声表现为幅值较低的脉冲信号。因此，对第一信道估计结果进行均值除噪，此时每个灯到接收机的时域冲激响应和噪声的幅值比例相差更大。均值除噪后选取幅值最大的三个视距链路脉冲，这三个脉冲是最接近接收机的三个光源发射机发出的。
根据所述第一信道估计结果，在时域中选取峰值最大的三个视距链路脉冲，将所述三个视距链路脉冲对应的三个光源发射机记为第一光源发射机L1，第二光源发射机L2，第三光源发射机L3(目前还不知道这三个灯对应的是M1个光源发射机中的哪三个光源发射机)，将所述三个视距链路脉冲对应的采样点下标记为第一采样点下标n1，第二采样点下标n2，第三采样点下标n3；
假设n1>n2>n3(实际情况中，可能不是n1>n2>n3，因此需要通过排列组合，得到多种情况下的解)，计算从L1发出通信信号到接收机接收到该通信信号的时间和L2发出通信信号到接收机接收到该通信信号的时间之间的时间差值Δt1＝(n1-n2)*Ts，其中，Ts为采样周期；
计算从L1发出通信信号到接收机接收到该通信信号的时间和L3发出通信信号到接收机接收到该通信信号的时间之间的时间差值Δt2＝(n1-n3)*Ts。
S104:根据所述第一组时间差值，利用TDOA算法对所述接收机进行定位，求解得到第一组接收机坐标；
对在第二时隙发送通信信号的第二组光源发射机重复S102-S104的步骤，得到第二组接收机坐标；
S105:找到所述第一组接收机坐标和所述第二组接收机坐标之间距离最近的一对坐标，并选择这对坐标中任意一个坐标作为接收机最终定位。
本发明所述的室内无线光定位方法，利用信道状态信息实现无线光室内定位，即利用两组灯在两个不同时隙通信时，对通信过程中的信道信息进行信道估计，之后通过到达时间差的方法(TDOA)进行定位，实现精确的无线光室内定位。本发明将无线光通信和定位相融合，利用信道估计得到的信息进行定位，充分利用了通信资源，两组光源使用时分复用的方式，轮流和接收机进行通信，只需要两个时隙，完成定位，使用时无需占用额外的通信资源来传输定位信息，节省了通信资源；可应用于不同的室内场景，只需通过信道估计得到时域冲激响应，无论室内环境有多复杂，都能实现精确的无线光室内定位；利用到达时间差，使用TDOA的方法进行定位，降低了对发射端和接收端的时间同步的需求，系统可移植性好，大大降低了硬件的复杂度，降低了成本；可扩展性好，通过增加灯的数量，即可稳定扩大定位的范围。
基于以上实施例，本实施例对步骤S104-S105进行进一步详细说明：
根据所述第一组时间差值列写方程组：
Figure BDA0003872419190000121
其中，c表示光速，xi i∈1，2，3表示L1，L2，L3的横坐标，yi i∈1，2，3表示L1，L2，L3的纵坐标，zi i∈1，2，3表示L1，L2，L3的高度坐标，xr表示接收机的横坐标，yr表示接收机的纵坐标，zr表示接收机的高度坐标，本系统暂时只考虑二维定位，所以方程组中z1，z2，z3，zr是已知的，且由于灯在同一天花板上，所以z1，z2，z3相等；
从第一组光源发射机中随机选出三个光源发射机，并进行排列组合，得到多组L1，L2，L3的三维坐标值；
到达时间差的方法本质上是求双曲线的交点，根据所述多组L1，L2，L3 的三维坐标值，在只考虑二维定位的情况下，利用CHAN’S方法或Fang’s方法求解所述方程组得到
Figure BDA0003872419190000122
个解，即第一组接收机坐标，其中，M1为第一组光源发射机的数量。
利用CHAN’S方法求解所述方程组包括：
将所述方程组转换为线性方程组：
Figure BDA0003872419190000131
并进行变形得到xr，yr，R1之间的关系：
Figure BDA0003872419190000132
其中，R2,1＝c*Δt1，表示L1到接收机的距离和L2到接收机的距离之差，R3,1＝ c*Δt2，表示L1到接收机的距离和L3到接收机的距离之差，经过计算R2,1和R3,1都是已知量，R1表示L1到接收机的距离；
将所述xr，yr，R1之间的关系带入公式：
Figure BDA0003872419190000133
得到一个关于R1的一元二次方程
Figure BDA0003872419190000134
进行求解得到R1的值，并带入所述线性方程组，求解得到接收机的坐标(每一组光源发射机的三维坐标可求得两个解(xr1,yr1)和(xr2,yr2))，其中，a，b，c1均是由光源发射机坐标和R2,1，R3,1求出的常数。
利用Fang’s方法求解所述方程组包括：
建立一个新的坐标系，使得L1位于坐标原点(0，0)，使得L2位于(X2，0),L3 位于(X3，Y3)，则L1到接收机的距离R1可表示为：
Figure BDA0003872419190000135
L2，L3到接收机的距离可表示为：
Figure BDA0003872419190000136
其中，Ri,1表示Li到接收机的距离和L1到接收机的距离之差；
将式(1)代入式(2)中，经过计算合并同类项，可得：
Figure BDA0003872419190000137
Figure BDA0003872419190000138
根据式(3)和式(4)找到接收机横坐标和纵坐标之间的关系：
yr＝g·xr+p (5)
其中，系数g＝(R3,1X2/R2,1-X3)/Y3，系数
Figure BDA0003872419190000139
Figure BDA00038724191900001310
均为已知量；
将式(5)代入式(3)，得到最终待求解的方程：
Figure BDA00038724191900001311
对其进行求解得到接收机坐标(每一组光源发射机的三维坐标可求得两个解(xr1,yr1) 和(xr2,yr2))；
其中，系数d＝-{1-(X2/R2,1)2+g2}，系数e＝X2{1-(X2/R2,1)2}-2gp，系数
Figure BDA0003872419190000141
Figure BDA0003872419190000142
均为已知量。
CHAN’S和Fang’s这两种方法算出的接收机坐标都有两个值，记为(xr1,yr1) 和(xr2,yr2)。由于在实际情况下并不确定距离接收机最近的三个光源发射机是天花板上的哪三个光源发射机，即L1，L2，L3的具体坐标可能是天花板上任意一个光源发射机的坐标。在M1个光源发射机中任意的选出3个光源发射机来对应L1，L2，L3，灯排列组合有
Figure BDA0003872419190000143
种，每种灯的排列有两个解，所以在通信的第一时隙总共有
Figure BDA0003872419190000144
个解：
Figure BDA0003872419190000145
同样的，在在通信的第二时隙总共有
Figure BDA0003872419190000146
个解：
Figure BDA0003872419190000147
Figure BDA0003872419190000148
两组解的最近两个坐标点，即为真实解:
Figure BDA0003872419190000149
基于以上实施例，本实施例为了评估所提出的无线光定位系统及方法的性能，在一个具体的房间内进行定位：
房间尺寸为5m×5m×3m(长×宽×高)。光源均匀分布在天花板上，为LED 灯，接收机为光电探测器，如图2中所示。在这次示例中，令M1＝3，选取LED1、 LED7、LED9为第一组灯，在时隙T1中和接收机PD进行通信。同时令M2＝3，LED1、 LED4、LED6为第二组灯，在时隙T2中和接收机PD进行通信。在通信时，需要进行信道估计，信道估计的关键仿真参数如下：
房间大小 5m×5m×3m(长×宽×高)
时间分辨率 0.1ns
FFT点数 1024
带宽 125Mhz
导频序列个数 100
图3显示了，时隙T1下，接收机位置在(2m，1.5m，1m)的位置时，LED1、 LED7、LED9和接收机PD进行通信时，信道的频域响应。图4显示了该频域响应进行IDFT后，对应的时域冲激响应。根据时域冲激响应，提取出用于定位的时间差值。利用时间差值，结合TDOA的方法，计算出12个可能解。再通过第二组灯在时隙T2和PD进行通信，重复T1时隙的步骤，也得到12个可能解。最后进行对称解的排除，最终实现对接收机的定位。
我们在不同的位置进行测试，待测点所在的接收平面高度为1m，这些位置的间隔均为0.5m，如图5中的十字线所示。圆圈表示的是用提出的无线光定位系统和方法估计出的结果，在这次示例中，平均定位误差为2.13厘米。
请参考图6，图6为本发明实施例提供的一种室内无线光定位装置的结构框图；具体装置可以包括：
光源发射机组选取模块100，用于选取不同的两组均匀分布在室内天花板上的光源发射机，并至少保证每组中的光源发射机数量不小于3，且不在同一条直线上；
信道估计模块200，用于根据第一组光源发射机在第一时隙中发送至接收机的通信信号，进行信道估计，并将信道估计的频域信息转变为时域冲激响应的形式，得到第一信道估计结果；根据第二组光源发射机在第二时隙中发送至接收机的通信信号，进行信道估计，并将信道估计的频域信息转变为时域冲激响应的形式，得到第二信道估计结果；
时间差提取模块300，用于根据所述第一信道估计结果，在时域中选取峰值最大的三个视距链路脉冲作为第一组脉冲，并根据所述第一组脉冲计算其对应的三个光源发射机所发出的信号，从发送到被所述接收机接收的时间之间的第一组时间差值；根据所述第二信道估计结果，在时域中选取峰值最大的三个视距链路脉冲作为第二组脉冲，并根据所述第二组脉冲计算其对应的三个光源发射机所发出的信号，从发送到被所述接收机接收的时间之间的第二组时间差值；
坐标计算模块400，用于利用TDOA算法对所述接收机进行定位，根据所述第一组时间差值求解得到第一组接收机坐标，根据所述第二组时间差值求解得到第二组接收机坐标；
定位模块500，用于找到所述第一组接收机坐标和所述第二组接收机坐标之间距离最近的一对坐标，并选择这对坐标中任意一个坐标作为接收机最终定位。
本实施例的室内无线光定位装置用于实现前述的室内无线光定位方法，因此室内无线光定位装置中的具体实施方式可见前文室内无线光定位方法的实施例部分，例如，光源发射机组选取模块100，信道估计模块200，时间差提取模块300，坐标计算模块400，定位模块500，分别用于实现上述无线光定位方法中步骤S101，S102，S103，S104和S105，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再赘述。
本发明还提供了一种室内无线光定位系统，包括：
均匀安装在室内天花板上的多个光源发射机；
如上述的室内无线光定位装置，用于利用所述多个光源发射机定位设置有接收机的物品或设备。
该室内无线光定位系统，可应用于地下停车场的汽车定位，所述光源发射机为LED灯，所述接收机为安装于汽车上的光电探测器。
将接收机集成在手机中，该室内无线光定位系统还可应用于室内人群追踪。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种室内无线光定位方法，其特征在于，包括：
S1:选取不同的两组均匀分布在室内天花板上的光源发射机，并至少保证每组中的光源发射机数量不小于3，且不在同一条直线上；
S2:根据第一组光源发射机在第一时隙中发送至接收机的通信信号，进行信道估计，并将信道估计的频域信息转变为时域冲激响应的形式，得到第一信道估计结果；
S3:根据所述第一信道估计结果，在时域中选取峰值最大的三个视距链路脉冲作为第一组脉冲，并根据所述第一组脉冲计算其对应的三个光源发射机所发出的信号，从发送到被所述接收机接收的时间之间的第一组时间差值；
S4:根据所述第一组时间差值，利用TDOA算法对所述接收机进行定位，求解得到第一组接收机坐标；
S5:对在第二时隙发送通信信号的第二组光源发射机重复S2-S4的步骤，得到第二组接收机坐标；
S6:找到所述第一组接收机坐标和所述第二组接收机坐标之间距离最近的一对坐标，并选择这对坐标中任意一个坐标作为接收机最终定位。
2.根据权利要求1所述的室内无线光定位方法，其特征在于，所述根据第一组光源发射机在第一时隙中发送至接收机的通信信号，进行信道估计，并将信道估计的频域信息转变为时域冲激响应的形式，得到第一信道估计结果包括：
当所述接收机接收到所述光源发射机发送的通信信号后，将所述通信信号转换为电信号并进行模数转换和滤除直流偏置，得到接收信号；
对加窗后的接收信号y(n)进行离散傅里叶变换，得到频域中的接收信号Y(K)＝DFT[y(n)]＝X(K)*H(K)+W(K)K＝1,2....N，其中，加窗长度为N，N表示DFT的点数，和子载波个数相同，Y(K)表示第K个子载波接收的导频符号，X(K)表示第K个子载波发送的导频符号，W(K)是噪声；
根据所述频域中的接收信号计算频域响应的信道估计
Figure FDA0003872419180000021
Figure FDA0003872419180000022
其中，
Figure FDA0003872419180000023
是Y(K)加上噪声后的估计值，j为虚数单位，q为加窗位置偏移量；
取频域响应的前一半序列进行共轭对称：
Figure FDA0003872419180000024
并进行离散傅里叶逆变换得到时域冲激响应的信道估计：
Figure FDA0003872419180000025
其中，
Figure FDA0003872419180000026
表示的是时刻i对应的信道冲激响应，n为采样点数。
3.根据权利要求1所述的室内无线光定位方法，其特征在于，所述根据第一组光源发射机在第一时隙中发送至接收机的通信信号，进行信道估计，并将信道估计的频域信息转变为时域冲激响应的形式，得到第一信道估计结果后还包括：
对所述第一信道估计结果进行均值除噪。
4.根据权利要求1所述的室内无线光定位方法，其特征在于，根据所述第一信道估计结果，在时域中选取峰值最大的三个视距链路脉冲作为第一组脉冲，并根据所述第一组脉冲计算其对应的三个光源发射机所发出的信号，从发送到被所述接收机接收的时间之间的第一组时间差值包括：
根据所述第一信道估计结果，在时域中选取峰值最大的三个视距链路脉冲，将所述三个视距链路脉冲对应的三个光源发射机记为第一光源发射机L1，第二光源发射机L2，第三光源发射机L3，将所述三个视距链路脉冲对应的采样点下标记为第一采样点下标n1，第二采样点下标n2，第三采样点下标n3；
假设n1>n2>n3，计算从L1发出通信信号到接收机接收到该通信信号的时间和L2发出通信信号到接收机接收到该通信信号的时间之间的时间差值Δt1＝(n1-n2)*Ts，其中，Ts为采样周期；
计算从L1发出通信信号到接收机接收到该通信信号的时间和L3发出通信信号到接收机接收到该通信信号的时间之间的时间差值Δt2＝(n1-n3)*Ts。
5.根据权利要求4所述的室内无线光定位方法，其特征在于，所述根据所述第一组时间差值，利用TDOA算法对所述接收机进行定位，求解得到第一组接收机坐标包括：
根据所述第一组时间差值列写方程组：
Figure FDA0003872419180000031
其中，c表示光速，xi i∈1，2，3表示L1，L2，L3的横坐标，yi i∈1，2，3表示L1，L2，L3的纵坐标，zi i∈1，2，3表示L1，L2，L3的高度坐标，xr表示接收机的横坐标，yr表示接收机的纵坐标，zr表示接收机的高度坐标；
从第一组光源发射机中随机选出三个光源发射机，并进行排列组合，得到多组L1，L2，L3的三维坐标值；
根据所述多组L1，L2，L3的三维坐标值，在只考虑二维定位的情况下，利用CHAN’S方法或Fang’s方法求解所述方程组得到
Figure FDA0003872419180000032
个解，即第一组接收机坐标，其中，M1为第一组光源发射机的数量。
6.根据权利要求5所述的室内无线光定位方法，其特征在于，所述利用CHAN’S方法求解所述方程组包括：
将所述方程组转换为线性方程组：
Figure FDA0003872419180000041
并进行变形得到xr，yr，R1之间的关系：
Figure FDA0003872419180000042
其中，R2,1＝c*Δt1，表示L1到接收机的距离和L2到接收机的距离之差，R3,1＝c*Δt2，表示L1到接收机的距离和L3到接收机的距离之差，R1表示L1到接收机的距离；
将所述xr，yr，R1之间的关系带入公式：
Figure FDA0003872419180000043
得到一个关于R1的一元二次方程
Figure FDA0003872419180000044
进行求解得到R1的值，并带入所述线性方程组，求解得到接收机的坐标，其中，a，b，c1均为常数。
7.根据权利要求5所述的室内无线光定位方法，其特征在于，所述利用Fang’s方法求解所述方程组包括：
建立一个新的坐标系，使得L1位于坐标原点(0，0)，使得L2位于(X2，0),L3位于(X3，Y3)，则L1到接收机的距离R1可表示为：
Figure FDA0003872419180000045
L2，L3到接收机的距离可表示为：
Figure FDA0003872419180000046
其中，Ri,1表示Li到接收机的距离和L1到接收机的距离之差；
将式(1)代入式(2)中可得：
Figure FDA0003872419180000051
Figure FDA0003872419180000052
根据式(3)和式(4)找到接收机横坐标和纵坐标之间的关系：
yr＝g·xr+p (5)
其中，系数g＝(R3,1X2/R2,1-X3)/Y3，系数
Figure FDA0003872419180000053
Figure FDA0003872419180000054
将式(5)代入式(3)，得到最终待求解的方程：
Figure FDA0003872419180000055
对其进行求解得到接收机坐标；
其中，系数d＝-{1-(X2/R2,1)2+g2}，系数e＝X2{1-(X2/R2,1)2}-2gp，系数
Figure FDA0003872419180000056
8.一种室内无线光定位装置，其特征在于，包括：
光源发射机组选取模块，用于选取不同的两组均匀分布在室内天花板上的光源发射机，并至少保证每组中的光源发射机数量不小于3，且不在同一条直线上；
信道估计模块，用于根据第一组光源发射机在第一时隙中发送至接收机的通信信号，进行信道估计，并将信道估计的频域信息转变为时域冲激响应的形式，得到第一信道估计结果；根据第二组光源发射机在第二时隙中发送至接收机的通信信号，进行信道估计，并将信道估计的频域信息转变为时域冲激响应的形式，得到第二信道估计结果；
时间差提取模块，用于根据所述第一信道估计结果，在时域中选取峰值最大的三个视距链路脉冲作为第一组脉冲，并根据所述第一组脉冲计算其对应的三个光源发射机所发出的信号，从发送到被所述接收机接收的时间之间的第一组时间差值；根据所述第二信道估计结果，在时域中选取峰值最大的三个视距链路脉冲作为第二组脉冲，并根据所述第二组脉冲计算其对应的三个光源发射机所发出的信号，从发送到被所述接收机接收的时间之间的第二组时间差值；
坐标计算模块，用于利用TDOA算法对所述接收机进行定位，根据所述第一组时间差值求解得到第一组接收机坐标，根据所述第二组时间差值求解得到第二组接收机坐标；
定位模块，用于找到所述第一组接收机坐标和所述第二组接收机坐标之间距离最近的一对坐标，并选择这对坐标中任意一个坐标作为接收机最终定位。
9.一种室内无线光定位系统，其特征在于，包括：
均匀安装在室内天花板上的多个光源发射机；
如权利要求8所述的室内无线光定位装置，用于利用所述多个光源发射机定位设置有接收机的物品或设备。
10.根据权利要求9所述的室内无线光定位系统，其特征在于，应用于地下停车场的汽车定位，所述光源发射机为LED灯，所述接收机为安装于汽车上的光电探测器。
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