一種基于可見光通信的精確定位系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，公開一種基于可見光通信的精確定位系統(tǒng)。基于LED可見光通信技術(shù)，本發(fā)明通過可見光LED陣列發(fā)送時鐘信號，結(jié)合時分碼分正交頻分復(fù)用TC?OFDM系統(tǒng)，并結(jié)合IEEE1588網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)，可以發(fā)送出精確時鐘信號；在接收機端，使用復(fù)合拋物面聚光器結(jié)構(gòu)，增加進入高速光電探測器的光強，以提高接收機的靈敏度；并結(jié)合靜態(tài)目標定位和動態(tài)目標定位，來提高精度。本發(fā)明可以提高可見光通信定位的精度和靈敏度，在LED照明的同時實現(xiàn)精確定位。
【專利說明】
一種基于可見光通信的精確定位系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)計一種基于可見光通信的精確定位系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]定位技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用，可以用于手機和汽車地圖導(dǎo)航、船舶、飛機、緊急救助等領(lǐng)域，近年來吸引了國內(nèi)外廣泛的關(guān)注和研究，定位的精度也越來越高。室外定位一般是通過GPS全球定位衛(wèi)星實現(xiàn)，中國也提供了自己的衛(wèi)星定位系統(tǒng)-北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，但是在衛(wèi)星信號在一些場合信號比較弱，比如地下停車場等，因而不能有效高精度定位。
[0003]面對室內(nèi)等區(qū)域定位導(dǎo)航和高精度定位的需求，涌現(xiàn)了紅外線定位、超聲波定位、藍牙技術(shù)定位、超寬帶技術(shù)定位和可見光LED定位技術(shù)等，國內(nèi)外正在積極進行這方面的研究。
[0004]LED已經(jīng)普遍用于室內(nèi)和室外照明系統(tǒng)，借助于現(xiàn)有的LED照明裝置進行高精度定位將大大減少設(shè)備安裝成本，并且LED定位具有安全、無輻射、速度快、精度高等優(yōu)勢，并可以應(yīng)用于易燃易爆、飛機、高鐵等特殊場合，在高精度導(dǎo)航定位系統(tǒng)領(lǐng)域是很具有吸引力的解決方案。目前多數(shù)可見光LED定位多數(shù)基于LED可見光標簽、LED的發(fā)光強度、接收端圖像傳感器成像定位等。這些技術(shù)定位精度都有待提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種可見光定位精度高的定位系統(tǒng)，即基于可見光通信的精確定位系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明提供的基于可見光通信的精確定位系統(tǒng)，使用LED陣列廣播精確時鐘，使用TC-OFDM系統(tǒng)和IEEE1588同步協(xié)議，優(yōu)化接收端光學(xué)天線，結(jié)合靜態(tài)和動態(tài)目標定位，從而提尚可見光定位的精度。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種基于可見光通信的精確定位系統(tǒng)，包括如下幾個部分:
LED驅(qū)動10;
發(fā)射端11;為LED光源，與LED驅(qū)動和時鐘信號10相連；
無線光通信鏈路12;
接收端(用戶)13;包括光學(xué)天線、光電探測器等。
[0008]其中:
所述的LED驅(qū)動10，將交流電轉(zhuǎn)換為直流，并加入時鐘信號，來驅(qū)動LED陣列。
[0009]所述的無線光通信鏈路12采用時分碼分正交頻分復(fù)用TC-OFDM (Time & CodeDivis1n-Orthogonal Frequency Divis1n Multiplexing)系統(tǒng)，并結(jié)合米用IEEE1588網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)。
[0010]使用TCMFDM信號體制的系統(tǒng)，融合定位和通信信號，結(jié)合了OFDM和⑶MA兩種技術(shù)的優(yōu)勢，其中OFDM通信信號用于提高頻譜利用率，克服多徑衰落引起的符號間干擾，CDMA導(dǎo)航定位信號用于提高擴頻增益和定位。
[0011]采用IEEE1588網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)，IEEE1588同步協(xié)議通過精確度非常高的時間同步協(xié)議PTP(Precis1n Time Protocol)應(yīng)用于LED陣列組成的網(wǎng)絡(luò)，與用戶設(shè)備達到很高的同步精度。
[0012]所述的接收端13的光學(xué)天線采取復(fù)合拋物面聚光器結(jié)構(gòu)，光電探測器采用高速光電探測器芯片，其接收面積一般在毫米和微米量級，本聚光器將厘米量級的入射光匯聚到光電探測器芯片表面，提高接收端的靈敏度。
[0013]所述的接收端使用PIN或者Aro雪崩光電探測器。
[0014]本發(fā)明中，接收端的定位，采用靜態(tài)定位和動態(tài)定位兩種算法，根據(jù)精確時鐘測得LED光到達光電探測器的時間(TOA)，能夠計算出不同參考點到達光電探測器的時間差(TDOA);基于多個LED的TOA或者TDOA實現(xiàn)對用戶設(shè)備的靜態(tài)定位，通過定位不同時間的用戶設(shè)備的位置，實現(xiàn)對用戶設(shè)備的動態(tài)定位;結(jié)合靜態(tài)定位和動態(tài)定位算法，可進一步提高定位精度。
[0015]基于可見光通信的精確定位系統(tǒng)的工作流程如下:
在室內(nèi)或者室外區(qū)域安裝可見光LED光源陣列，每個LED燈的精確位置已知，定位系統(tǒng)把交流電轉(zhuǎn)化為直流電作為LED驅(qū)動，并在每個LED的直流驅(qū)動中加入時鐘信號，形成LED組網(wǎng)；
通過發(fā)射端11的LED光源將電信號轉(zhuǎn)換為光信號；
結(jié)合時分碼分正交頻分復(fù)用TC-OFDM系統(tǒng)，并結(jié)合IEEE1588網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)，通過LED陣列來廣播精確時鐘信號，并且每個LED燈都發(fā)射出精確位置信息；
接收端(用戶)13通過(復(fù)合拋物面聚光器)光學(xué)天線收集發(fā)射端11的LED光源發(fā)出的光信號；
接收端(用戶)13將LED光源信號轉(zhuǎn)換為電信號；
解調(diào)TC-OFDM信號，結(jié)合靜態(tài)定位和動態(tài)定位兩種算法，來精確定位目標位置。
[0016]本發(fā)明基于LED可見光通信技術(shù)，結(jié)合TCMFDM通信定位和IEEE1588網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)，可以發(fā)送出精確時鐘信號，使用復(fù)合拋物面聚光器結(jié)構(gòu)提高接收機的靈敏度，結(jié)合靜態(tài)目標定位和動態(tài)目標定位，通過聯(lián)合優(yōu)化來提高精度。本發(fā)明可以提高可見光通信定位的精度和靈敏度，在LED照明的同時實現(xiàn)精確定位。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明中提供的LED可見光通信驅(qū)動、發(fā)射端、無線光通信鏈路和接收端的示意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明中提供的接收端光學(xué)天線的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解。下面結(jié)合通過實施例對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實施例。
[0020]步驟1:如圖1所示，系統(tǒng)在室內(nèi)區(qū)域安裝可見光LED燈陣列，室內(nèi)長寬50米，高度3米，每個LED燈的精確位置(x，y，z)已知，并且對每個LED進行編號，系統(tǒng)把220V交流電轉(zhuǎn)化為直流電600mA作為LED驅(qū)動10，并在每個LED的直流驅(qū)動中加入時鐘信號10，形成LED組網(wǎng)；步驟2:每個LED的-3dB光電調(diào)制帶寬為5-20MHZ，通過發(fā)射端LED光源11將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，發(fā)光功率為3W，并經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)覆蓋直徑為4米左右的區(qū)域，保證足夠的照明功率，能夠在照明同時實現(xiàn)通信定位功能；
步驟3:結(jié)合時分碼分正交頻分復(fù)用TC-OFDM系統(tǒng)12，融合定位和通信信號，結(jié)合了 OFDM和CDMA兩種技術(shù)的優(yōu)勢，其中OFDM通信信號用于提高頻譜利用率，克服多徑衰落引起的符號間干擾，CDMA導(dǎo)航定位信號用于提高擴頻增益和定位，并結(jié)合IEEE1588網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)12，通過精確度非常高的時間同步協(xié)議PTP(Precis1n Time Protocol)應(yīng)用于LED陣列組成的網(wǎng)絡(luò)，與用戶設(shè)備達到很高的同步精度，通過LED陣列來廣播精確時鐘信號，并且每個LED燈都發(fā)射出精確位置信息；
步驟4:接收端/用戶13通過復(fù)合拋物面聚光器光學(xué)天線收集發(fā)射端LED光源11發(fā)出的光信號，高速光電探測器芯片的接收面積一般在毫米和微米量級，本聚光器將厘米量級的入射光匯聚到光電探測器芯片表面，提高接收端的靈敏度。如圖2所示的側(cè)視圖，聚光器兩邊為拋物線面，并繞拋物線焦點有10度的旋轉(zhuǎn)，上方入射口直徑為13mm，下方出射口直徑為4_，收集的角度小于10度的光都可以在下方出射口由光電探測器收集；
步驟5:接收端/用戶13使用PIN或者AH)光電探測器將LED光源信號轉(zhuǎn)換為電信號；
步驟6:解調(diào)TC-OFDM信號，結(jié)合靜態(tài)定位和動態(tài)定位兩種算法，根據(jù)精確時鐘測得LED光到達光電探測器的時間(TOA)，能夠計算出不同參考點到達光電探測器的時間差(TDOA)，基于多個LED的TOA或者TDOA實現(xiàn)對用戶設(shè)備的靜態(tài)定位，通過定位不同時間的用戶設(shè)備的位置，實現(xiàn)對用戶設(shè)備的動態(tài)定位，并結(jié)合靜態(tài)定位和動態(tài)定位算法進一步提高定位精度，定位精度達到厘米量級。
[0021]本發(fā)明基于LED可見光通信技術(shù)，結(jié)合TC-OHM通信定位和IEEE1588網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)，可以發(fā)送出精確時鐘信號，使用復(fù)合拋物面聚光器結(jié)構(gòu)提高接收機的靈敏度，結(jié)合靜態(tài)目標定位和動態(tài)目標定位，通過聯(lián)合優(yōu)化來提高精度。本發(fā)明可以提高可見光通信定位的精度和靈敏度，在LED照明的同時實現(xiàn)精確定位。
[0022]以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種基于可見光通信的精確定位系統(tǒng)，其特征在于，包括: LED驅(qū)動10; 發(fā)射端11;為LED光源，與LED驅(qū)動10相連； 無線光通信鏈路12; 接收端13;包括光學(xué)天線、光電探測器； 其中: 所述的LED驅(qū)動10，將交流電轉(zhuǎn)換為直流，并加入時鐘信號，來驅(qū)動LED陣列； 所述的無線光通信鏈路12采用時分碼分正交頻分復(fù)用TC-OFDM系統(tǒng)，并結(jié)合采用IEEE1588網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可見光通信的精確定位系統(tǒng)，其特征在于，所述的接收端13的光學(xué)天線采取復(fù)合拋物面聚光器結(jié)構(gòu)，光電探測器采用高速光電探測器芯片，其接收面積在毫米和微米量級，聚光器將厘米量級的入射光匯聚到光電探測器芯片表面，以提高接收端的靈敏度。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于可見光通信的精確定位系統(tǒng)，其特征在于，所述的接收端使用PIN或者AH)雪崩光電探測器。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于可見光通信的精確定位系統(tǒng)，其特征在于，接收端的定位采用靜態(tài)定位和動態(tài)定位兩種算法，根據(jù)精確時鐘測得LED光到達光電探測器的時間(TOA)，計算出不同參考點到達光電探測器的時間差(TDOA);基于多個LED的TOA或者TDOA實現(xiàn)對用戶設(shè)備的靜態(tài)定位，通過定位不同時間的用戶設(shè)備的位置，實現(xiàn)對用戶設(shè)備的動態(tài)定位;結(jié)合靜態(tài)定位和動態(tài)定位算法，以進一步提高定位精度。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可見光通信的精確定位系統(tǒng)，其特征在于，定位系統(tǒng)的工作流程如下: 在室內(nèi)或者室外區(qū)域安裝可見光LED光源陣列，每個LED燈的精確位置已知，定位系統(tǒng)把交流電轉(zhuǎn)化為直流電作為LED驅(qū)動，并在每個LED的直流驅(qū)動中加入時鐘信號，形成LED組網(wǎng)； 通過發(fā)射端11的LED光源將電信號轉(zhuǎn)換為光信號； 結(jié)合時分碼分正交頻分復(fù)用TC-(FDM系統(tǒng)，并結(jié)合IEEE1588網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)，通過LED陣列來廣播精確時鐘信號，并且每個LED燈都發(fā)射出精確位置信息； 接收端13通過光學(xué)天線收集發(fā)射端11的LED光源發(fā)出的光信號； 接收端13將LED光源信號轉(zhuǎn)換為電信號； 解調(diào)TC-OFDM信號，結(jié)合靜態(tài)定位和動態(tài)定位兩種算法，來精確定位目標位置。
【文檔編號】G01S5/16GK105911522SQ201610442008
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月20日
【發(fā)明人】田朋飛, 鄭立榮, 鄒卓, 朱逸飛, 劉冉
【申請人】復(fù)旦大學(xué)