本發(fā)明涉及可見光通信技術(shù)，特別涉及一種基于CDMA調(diào)制的RSS/AOA三維定位方法。
背景技術(shù)：
：自主機器人控制、私人服務(wù)，位置識別、急救和導(dǎo)航援助迅速增加等等。其中定位的一個不可或缺的技術(shù)。直到最近，定位系統(tǒng)的研究一直集中在全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、RF-ID，紅外，超聲波，和WLAN。全球定位系統(tǒng)一直被視為一種有效的在室外環(huán)境中對各種對象跟蹤的手段，但是，全球定位系統(tǒng)信號在一些區(qū)域，如在隧道或建筑物的內(nèi)部區(qū)域中不能使用。由于多徑效應(yīng)和無線電干擾的影響，準確的定位在室內(nèi)環(huán)境中是困難的。室內(nèi)定位系統(tǒng)的研究已經(jīng)進行了使用射頻，紅外線，超聲波，和無線局域網(wǎng)，而這些系統(tǒng)也有比較大的各方面的缺陷，如存在額外的基礎(chǔ)設(shè)施，測量誤差大，跟蹤范圍窄，抗電磁干擾性弱，安全性低，響應(yīng)時間長，和低的可擴展性。由于這些原因，最近使用光學(xué)可見光無線通信的室內(nèi)定位系統(tǒng)(owvlc)被作為有效的替代手段得到普及?；诎l(fā)光二極管(LED)owvlc適用于室內(nèi)定位，因為它的接收信號功率由光電流決定的，而光電流是由接收信號功率產(chǎn)生的的，而它又大大受到傳輸距離和角度的影響，因此，OWVLC可以提供更準確的位置估計比現(xiàn)有系統(tǒng)。然而,傳統(tǒng)的三角定位方法存在由于多徑效應(yīng)和多個參考點而引起的碼間干擾所導(dǎo)致的定位準確性不足，數(shù)據(jù)誤差大，不能滿足基本照明要求的弊端技術(shù)實現(xiàn)要素：為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點與不足，本發(fā)明的目的在于提出了一種基于CDMA調(diào)制的RSS/AOA三維定位方法的高精度室內(nèi)可見光通信定位系統(tǒng)，通過利用CDMA調(diào)制中擴頻碼的正交性，每個LED發(fā)出的具有ID信息的光信號經(jīng)過特定的PN碼直接擴頻，經(jīng)由自適應(yīng)濾波電路能分辨出各LED的ID信息和對應(yīng)的信號功率大小。通過所述ID信息確定其所在區(qū)域，通過RSS三角定位方法利用信號功率大小的加權(quán)粗略估算其所在位置，通過AOA定位方法利用方位角和仰角精確計算其位置，實現(xiàn)室內(nèi)精確定位。通過融合CDMA調(diào)制的RSS/AOA的三維定位方法可實現(xiàn)異步接收的高精度室內(nèi)可見光通信定位系統(tǒng)。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)。一種基于CDMA調(diào)制的RSS/AOA三維定位方法，包括以下步驟：步驟1、對具有LED燈具ID信息的原始信號進行CDMA調(diào)制；步驟2、經(jīng)過調(diào)制之后的信號通過LED驅(qū)動電路驅(qū)動LED燈具發(fā)出帶有ID信息的光信號；步驟3、接收端同時接收多個從不同LED燈具發(fā)射出的具有ID信息的光信號，通過放大電路、自適應(yīng)濾波電路和CDMA解擴模塊對信號進行處理；由于擴頻碼的正交性，接收端能夠分辨出各個具有不同LED燈具ID信息的光信號從而還原出LED燈具的ID信息以及測量各個光信號功率大小，通過RSS三角定位方法對接收端的位置進行粗略的估計；步驟4、測量出所述接收端與各個LED燈具之間的方位角和仰角，通過AOA定位方法對接收端的位置進行一個精確的計算，得出接收端的位置坐標，從而實現(xiàn)準確定位。進一步地，所述步驟1包括以下步驟：步驟11、對具有LED燈具ID信息的原始信號進行BPSK基帶調(diào)制，形成基帶調(diào)制信號，基帶調(diào)制信號的帶寬為A1；步驟12、將基帶調(diào)制信號經(jīng)過PN碼發(fā)生器進行擴頻處理，形成帶寬為A2的擴頻信號，而且A2遠大于A1。進一步地，其所述步驟3和步驟4中，定位是通過ID信息確定接收端所在的區(qū)域，通過RSS三角定位方法對接收端的位置進行粗略的位置估算，通過AOA定位方法對接收端的位置進行精確的計算。進一步地，所述步驟3包括以下步驟：步驟31、所述接收端接收到多個不同LED燈具發(fā)射的具有ID信息的光信號并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺浑娦盘柾ㄟ^自適應(yīng)濾波電路處理形成解擴前的信號；步驟32、所述CDMA解擴模塊捕獲PN碼序列，通過同步電路調(diào)整本地PN碼的相位，從而產(chǎn)生與發(fā)射端相同的PN碼，對所述解擴前的信號進行解擴處理；由于擴頻碼的正交性，所以接收端能夠還原出LED燈具的ID信息以及測量出信號功率的大??；通過ID信息來確定接收端所在區(qū)域；通過接收到的每個LED燈具的光信號的信號功率大小來對接收端位置進行粗略的估計；所得到的粗略的位置估計是接收到每個信號的信號功率大小的加權(quán)，其數(shù)學(xué)公式為：rRj=Σk=1NχkPk,j(Φk,j,θk,j)rskΣk=1NχkPk,j(Φk,j,θk,j)]]>其中，rRj為第j個接收端的坐標，χk為第k個燈具附加的二進制權(quán)重，Pk，j為就第j個接收端收到第k個燈具的信號功率大小，rsk為第k個燈具的理想坐標。Φk,j是LED燈具發(fā)射的光信號的出射角，θk,j是接收端接收到的光信號的入射角。進一步地，所述步驟4包括以下步驟：步驟41、測量得出各LED燈具與接收端之間的方位角βk與仰角αk；步驟42、利用幾何關(guān)系計算出接收端的精確坐標，其數(shù)學(xué)表達式是：XYZ=XkYkZk+Dk,jsinαkcosβkDk,jsinαksinβkDk,jcosαk]]>其中X，Y，Z是接收端的坐標，Xk，Yk，Zk是第k個燈具的坐標Dk，j＝|rRj-rsk|，而Dk，j則可通過幾何關(guān)系計算出來,其數(shù)學(xué)表達式為Dk,j=D1+(tanβk)2sinαk(tanβ1tanβ2)]]>D＝|rsk1-rsk2|；在每一個燈具與接收端之間都存在一個Dk，j,但只要算出其中一個燈具與接收端之間的Dk，j,即可計算出接收端的位置。所述基于CDMA調(diào)制的RSS/AOA三維定位方法的可見光通信室內(nèi)定位方法采用的系統(tǒng)包括：信號發(fā)射部分、傳輸信道、信號接收部分。BPSK基帶調(diào)制模塊、CDMA擴頻模塊、LED驅(qū)動電路和LED燈具依次連接組成所述信號發(fā)射部分；光信號接收端、放大電路、自適應(yīng)濾波電路和CDMA解擴模塊依次連接組成所述信號接收部分；所述傳輸信道為三維室內(nèi)空間。具有LED燈具ID信息的原始信號通過所述信號發(fā)射部分的BPSK基帶調(diào)制模塊和CDMA擴頻模塊進行基帶調(diào)制和擴頻后，驅(qū)動LED燈具將電信號轉(zhuǎn)換為帶有ID信息的光信號并且發(fā)射出去；所述光信號通過三維自由空間傳輸?shù)竭_信號接收部分。所述光信號接收端接收經(jīng)過三維室內(nèi)空間傳輸?shù)膸в蠭D信息的光信號后,還原為電信號；所述電信號經(jīng)過放大電路進行放大處理,然后通過自適應(yīng)濾波電路去除噪聲,接著通過CDMA解擴模塊解擴。最終獲得具有各個ID信息的電信號和信號功率大小。所述ID信息確定其所在區(qū)域，通過信號功率的加權(quán)粗略估算其所在位置，通過方位角和仰角精確計算其位置，實現(xiàn)精確定位。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果：(1)創(chuàng)新性地將CDMA調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于VLC系統(tǒng)中，在不增加器件帶寬的前提下，成倍地提高了無線通信的速率與質(zhì)量。(2)創(chuàng)新性的將RSS定位方法和AOA定位方法融合起來引用于VLC系統(tǒng)中，在減少了所需基礎(chǔ)設(shè)施(LED燈具的數(shù)量)的同時，還提高了定位的準確度。附圖說明圖1為所模擬的室內(nèi)環(huán)境示意圖。圖2為實現(xiàn)CDMA調(diào)制與解調(diào)的原理框圖。圖3為實現(xiàn)RSS/AOA的混合三維定位方法的原理框圖。圖4為實現(xiàn)RSS/AOA的混合三維定位方法的原理示意圖。具體實施方式下面結(jié)合實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方法不限于此。實施例1如圖1所示，一種基于CDMA調(diào)制的RSS/AOA可見光通信定位方法的系統(tǒng)模型。這是一個4m*4m*3.5m米的房間，圖中①是參與定位的LED燈具；②是貢獻噪聲的LED燈具；③是離散的接收端的位置。十二盞LED燈具分成四行四列間隔均勻地分布在天花板上，以每四個LED燈具作為一個定位單元，通過四個燈具實現(xiàn)RSS定位方法，再通過上述四個燈具中的其中兩個實現(xiàn)AOA定位方法，從而實現(xiàn)接收端的準確定位進一步的，如圖2所示，所述的BPSK基帶調(diào)制模塊把具有LED燈具ID信息的原始信號轉(zhuǎn)換成基帶調(diào)制信號，基帶調(diào)制信號的帶寬為A1；所述CDMA擴頻模塊通過PN碼發(fā)生器對基帶調(diào)制信號進行擴頻處理，將其轉(zhuǎn)換成擴頻信號；擴頻信號的帶寬為A2，A2遠大于A1；在本案例中，采用直接序列擴頻技術(shù)，并且采用PN碼為擴頻碼；所述擴頻信號經(jīng)過LED驅(qū)動電路驅(qū)動LED燈具發(fā)射具有ID信息的光信號；所述光接收端接收經(jīng)過自由空間到達的具有LED燈具ID信息的光信號并且轉(zhuǎn)換為電信號；所述放大電路把電信號放大；所述放大后的信號經(jīng)過自適應(yīng)濾波電路去除噪聲，形成解擴前的信號；所述CDMA解擴模塊捕獲PN碼序列，通過同步電路調(diào)整本地PN碼的相位，從而產(chǎn)生與發(fā)射端相同的PN碼，對所述解擴前的信號進行解擴處理。從而還原出LED燈具的ID信息以及測量出信號功率的大小。進一步地，如圖3、圖4所示，首先根據(jù)信號的ID信息確定接收端所在的區(qū)域。然后利用RSS三角定位方法對接收端的位置進行一個粗略的估算；其數(shù)學(xué)公式為：rRj=Σk=1NχkPk,j(Φk,j,θk,j)rskΣk=1NχkPk,j(Φk,j,θk,j)]]>其中，rRj為第j個接收端的坐標。χk為第k個燈具附加的二進制權(quán)重；Pk，j為就第j個接收端收到第k個燈具的信號功率大?。籸sk為第k個燈具的理想坐標，Φk,j是LED燈具發(fā)射的光信號的出射角，即光信號的傳播方向與LED燈具的方向的夾角，其中LED燈具的方向用向量表示；θk,j是接收端接收到的光信號的入射角即光信號傳播方向與接收端方向的夾角，其中接收端方向用向量表示。利用上述公式，計算出接收端粗略的位置坐標，將坐標信息發(fā)送回LED燈具，對接收端的位置信息進行更新。進一步地，在RSS定位方法所得到的粗略的位置上，利用AOA定位方法通過幾何關(guān)系對接收端的位置進行一個精確的計算。測量出接收端與兩個燈具之間的方位角和仰角，利用下列公式對接收端位置進行精確的計算。⑴---D＝|rsk1-rsk2|(2)---Dk,j=D1+(tanβk)2sinαk(tanβ1tanβ2)]]>(3)---XYZ=XkYkZk+Dk,jsinαkcosβkDk,jsinαksinβkDk,jcosαk]]>其中X，Y，Z是接收端的坐標，Xk，Yk，Zk是第k個燈具的坐標Dk，j＝|rRj-rsk|是LED燈具與接收端之間的向量，βk是LED燈具與接收端之間的方位角，αk是各LED燈具與接收端之間的仰角。首先使用公式(1)計算出兩個實現(xiàn)AOA定位方法的LED燈具之間的位置向量D；接著使用公式(2)計算出其中一個LED燈具與接收端之間的向量Dk，j；最后使用公式(3)計算出接收端的坐標rRj，從而實現(xiàn)接收端的精確定位。把得到的精確的坐標發(fā)送給LED燈具，更新接收端的位置信息。進一步的，在一定的時間間隔之后，再重新利用RSS定位方法對接收端的位置進行粗略的估計，在此基礎(chǔ)上再進行AOA定位方法對接收端的位置進行計算，更新接收端的位置信息。不斷重復(fù)以上過程，從而實現(xiàn)對接收端準確的室內(nèi)定位與跟蹤。上述實施例僅為本發(fā)明的一種實施方法，但本發(fā)明的實施方法并不受上述實施例的限制，其他任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化均應(yīng)為等效的置換方法，都包含在本發(fā)明的保護范圍之。當前第1頁1 2 3