[发明专利]一种基于不同朗伯辐射波瓣模数的双模LED定位方法和系统

摘要

本发明涉及定位领域，更具体的，涉及一种基于不同朗伯辐射波瓣模数的双模LED定位方法和系统，本发明提出的方法通过构造与UE位置近似无关的NLOS比例因子Γ(n0,n1)，使得定位算法解耦了多径反射影响和PD位置之间的相关性，将实际中很难获得的多径反射信息对定位精度的影响最大程度地进行了封装，无需事先对多径反射分量进行测量，即可在复杂的多径反射环境中有效提升系统的定位误差性能。

主权项

1.一种基于不同朗伯辐射波瓣模数的双模LED定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1:灯具包含有两颗拥有不同朗伯辐射波瓣模数的LED灯芯，两颗LED灯芯的模数分别为n0和n1，n0,n1∈Z+；每盏灯具的两颗LED灯芯采用时分复用按照固定的周期在两个连续时隙{t0,t1}中交替发送相同载波频率调制的符号，其周期用TS表示，符号峰值功率用PL表示；不同的灯具通过采用频分复用使用不同的特定载波频率进行信号的传送；步骤S2：考虑信号反射强度在反射过程中的变化，在一个真实的VLP室内场景，来自灯具发射机的光线会通过数次反射，最终叠加到装有PD的VLP接收机UE上，反射的相对强度依赖于特定的房间形状和房间内反射物体的反射系数，考虑一个通用的长方体房间模型，影响信号反射强度的因素可归纳为一个环境参数集向量EN，表示为：EN＝{L,W,hS,hR,ρW,ρE,ρS,ρN,ρC,ρF}   (1)其中各参数的含义为：L/W/hS/hR：房间长度、宽度、LED灯具高度、VLP接收机高度；ρW/ρE/ρS/ρN/ρC/ρF：房间西墙/东墙/南墙/北墙/天花板/地板的反射系数；步骤S3：在考虑环境参数集向量EN的基础上引申出一个概念：NLOS和LOS链路之间的信道直流增益CDG比例因子ρ(Si,R,EN,n)，用于描述NLOS信道增益和LOS信道增益之间的关系；定义第i个灯具和PD之间的总信道直流增益CDG为H(Si,R,n)，有Si＝(xi,yi,hS)表示第i盏灯具位于空间中的坐标，R＝(xR,yR,hR)表示UE位于空间中的坐标；其中H(k)(Si,R,n)表示第i个LED发射机发出的光线经历了k次反射后被位于R的PD所接收的CDG，总信道直流增益H(Si,R,n)等于从零次反射到无限多次反射的CDG之和；将总信道直流增益H(Si,R,n)分成两部分，一部分是来自视距链路LOS链路的贡献，用HLOS(Si,R,n)表示；另一部分来自非视距链路NLOS链路的贡献，用HNLOS(Si,R,EN,n)表示，固定位置组合和环境下的NLOS链路CDG可看成一常数，令：HNLOS(Si,R,EN,n)＝ρ(Si,R,EN,n)HLOS(Si,R,n)   (3)其中ρ(Si,R,EN,n)称为与位置组合{Si,R}和环境参数向量EN相关的NLOS和LOS链路之间的CDG比例因子；步骤S4：在考虑多径反射或NLOS链路的直流增益CDG的基础上计算两路时隙的光信号峰值，UE接收来自于第i个灯具发出的连续两个符号周期上，即{t0,t1}两个时隙上的光信号峰值可分别表示为：和上述式(4)和式(5)中，t表示测量一对光强值的测量时间序号，t＝0,...,M‑1，M表示测量总次数；β为PD响应率；测量噪声和均为方差为σ²、均值为零的高斯随机变量，而且两次测量噪声是互相独立的；θ_i表示灯具的辐射角，φ_i表示UE的入射角，A_R表示VLC接收机PD的信号接收面积；d_i表示灯具与UE之间的距离；F表示指示函数；h表示灯具与UE之间的垂直距离；步骤S5：忽略噪声z_t，计算辐射角θ_i的估计值将两个符号时间周期的光信号峰值进行相除操作，也就是式(4)除以式(5)，所有与光发射机参数和强度相关的其它参数将会被抵消，则可获得灯具的辐射角估计值具体地，定义来自第i个灯具的两个连续符号周期内的连续接收符号强度的比例值为：进一步地，利用式(3)，定义关于{n0,n1}之间的CDG相对值为：Γ(Si,R,EN,n0,n1)可简化成Γ(n0,n1)，在一定的灯具辐射角范围内Γ(n0,n1)≈1；根据式(6)，辐射角θ_i的估计值及其余弦可表示为：其中步骤S6：执行步骤S7求解局部解或者执行步骤S8求解全局解；步骤S7：进行局部解的求解，首先计算辐射角余弦真实值cosθi，根据空间几何原理，第i盏DM‑LED灯具到PD的辐射角余弦真实值cosθi可以表示成而根据式(8)可获得辐射角余弦估计值联立式(8)和式(9)，辐射角余弦误差值可表示为上式共有3个未知变量，分别为xR、yR和Γ(n0,n1)，因此需要至少3个灯具的辐射角余弦估计值来构成一个辐射角余弦误差方程组，假设能够有效被PD检测的DM‑LED灯具数量为ν，当ν≥3时，可将误差方程组转换成求解误差平方和的最小值优化问题：其中X_min和X_max分别为x_R的最小值和最大值，Y_min和Y_max分别为y_R的最小值和最大值，Γ_min和Γ_max分别为Γ的最小值和最大值，该目标函数是非线性的非凸函数，因此现有的优化算法只能找到局部最小值，优化问题即式(11)的最小值的获得及收敛程度依赖于参数集{x_R,y_R,Γ(n₀,n₁)}的初值，式(11)可通过现有的优化算法获得UE的估计坐标值步骤S8：进行全局解的求解，因为式(11)是一个非线性目标，只能获得局部最小值，为了获得全局最小值，可以考虑将式(10)中的二次方程降为一次方程，首先，理想的优化目标为式(10)中的估计值和真实值相等，即易知有上式进一步整理为令和则式(13)可写为：假设接收机可以检测到ν个LED灯具的发送信号，利用式(14)可得到以下形式的方程组：Γ(n₀,n₁)值可以被看做一个常数，故γ值同样也可视为一个常数，通过对式(15)方程组中的每两个方程进行两两相减操作，可以得到一个由个方程组成的方程组：上式用矩阵的形式记为：AQ＝B   (17)其中：Q＝[xR,yR]T   (18)式(17)可通过线性最小二乘(LLS)方法Q＝(ATA)‑1ATB进行求解。