[发明专利]可见光扩频通信定位系统

权利要求书

1.可见光扩频通信定位系统，其特征在于，包括移动接收端和至少四个发射端，所述发射端分布设置在移动接收端的周围；其中，

所述发射端包括微处理器以及分别连接微处理器的存储LED光源位置数据的RFID标签、信号调制器、第一扩频码发生器、扩频调制器、第一光电信号转换器、LED光源和太阳能电池；所述第一扩频码发生器分别连接信号调制器和扩频调制器，所述扩频调制器连接第一光电信号转换器；所述LED光源上均匀地设置若干具有独立编号的方形LED发光晶格；所述每个LED发光晶格内均设置有黑光LED、蓝光LED、绿光LED和红光LED，所述黑光LED、蓝光LED、绿光LED和红光LED分别连接微处理器；所述LED光源连接太阳能电池；其中，

所述微处理器，用以读取RFID标签内存储的LED光源位置数据，并将LED光源位置数据分别转换为光信息、二维码信息和多维彩码信息，并命令指定的LED发光晶格执行发光；

所述信号调制器，用以将LED光源位置数据进行信号调制，得到包含LED光源位置信息的调制信号；

所述第一扩频码发生器，用以产生扩频码序列，并发送给扩频调制器；

所述扩频调制器，用以接收扩频码，以扩展包含LED光源位置信息的调制信号频谱，得到扩频调制信号；

所述第一光电信号转换器，根据微处理器的调制命令，将扩频调制信号由电信号转换为光信号；

所述LED光源，一方面在LED光源位置数据转换为二维码信息后，根据微处理器对指定LED发光晶格的发光或闭光命令，发出明暗相间的二维码图像；另一方面在LED光源位置数据转换为多维彩码信息后，根据微处理器分别对指定LED发光晶格内黑光LED、蓝光LED、绿光LED和红光LED发光或闭光命令，发出由不同颜色组成的多维彩码图像；

所述移动接收端包括中央处理器以及分别连接中央处理器的LTE通信模块、GPS定位模块、光信号接收器、滤噪器、光信号强度检测器、第二光电信号转换器、扩频解调器、第二扩频码发生器、信号解调器、摄像头和显示屏；滤噪器分别连接光信号接收器和光信号强度检测器，滤噪器连接第二光电信号转换器，扩频解调器分别连接第二光电信号转换器、第二扩频码发生器和信号解调器；LTE通信模块连接GPS定位模块，GPS定位模块和摄像头分别连接显示屏；其中

所述GPS定位模块，用以获取移动接收端的当前GPS位置数据和GPS信号强度值，并发送获取的GPS位置数据和GPS信号强度值给中央处理器；

所述光信号接收器，用以接收发射端中LED光源发出的光信号，并发送给滤噪器进行滤噪处理；

所述光信号强度检测器，用以分别检测各发射端发送来的光信号强度值，并发送各光信号强度值给中央处理器；

所述滤噪器，用以对接收的光信号滤噪，然后发送给中央处理器作出判断：当光信号强度超过预设阈值时，则将判断结果发送给第二光电信号转换器启动光电转换；

所述第二光电信号转换器，用以将接收的光信号转换为LED光源位置的电信号，并发送给中央处理器；

所述摄像头，用以对LED光源发出的二维码图像或者多维彩码图像进行读取，并由中央处理器提取二维码图像或多维彩码图像中的LED光源位置信息；

所述中央处理器，根据接收的GPS位置数据、GPS信号强度值以及第二光电信号转换器发送的电信号进行融合计算，以获取移动接收端的最终定位数据；其中，中央处理器获取移动接收端最终定位数据的过程依次包括如下步骤：

(1)设定获取的GPS定位数据为(x_GPS,y_GPS,z_GPS)，GPS信号强度值为p_GPS，GPS信号强度预设阈值为p_{GPS_door}；各发射端分别为R₁、R₂、R₃、R₄、…、R_N，R₁、R₂、R₃、R₄、…、R_N的坐标分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)、…、(x_N,y_N,z_N)，在时间段T内接收到的光信号强度值分别为p₁₁,p₁₂,p₁₃,…,p_1M；p₂₁,p₂₂,p₂₃,…,p_2M；p₃₁,p₃₂,p₃₃,…,p_3M；…；p_N1,p_N2,p_N3,…,p_NM；假设移动接收端的参考坐标为(x,y,z)，移动接收端的最终定位数据为(x_R,y_R,z_R)，N≥4，M≥1；

(2)当GPS信号强度值p_GPS高于GPS信号强度预设阈值p_{GPS_door}时，则以获取的GPS定位数据(x_GPS,y_GPS,z_GPS)为移动接收端的最终定位数据；否则，执行步骤(3)；

(3)根据在时间段T内接收到的各发射端的光信号强度值，计算每个发射端发出的光信号强度值的信号强度均方根值p_i：

pi=1MΣj=1Mp2ij,i=1,2,3,...,N;]]>式(1)

其中，p_i表示发射端R_i发出的光信号强度值的均方根值，p_ij表示发射端R_i发出的某一个光信号强度值；

(4)根据接收到的各发射端的光信号强度均方根值p₁、p₂、p₃、p₄、…、p_N，选取光信号强度均方根值大小位于前四位的值p₁、p₂、p₃和p₄；

(5)根据接收的各发射端的光信号强度均方根值p₁、p₂、p₃和p₄，分别获取发射端R₁、R₂、R₃和R₄到移动接收端的距离d₁、d₂、d₃和d₄：

pi=p0+10nlog10[di+vd0]+ξ,i=1,2,3,4;]]>式(2)

di=d010pi-p0-ξ10n-v;]]>式(3)；

其中，p_i为发射端R_i发出的光信号强度均方根值，n是路径损耗指数，ξ为满足高斯分布的随机数，d_i为发射端R_i到移动接收端的距离，d₀为参考距离，p₀为距离移动接收端d₀处的光信号强度值，v为距离估计误差，且

(6)根据发射端R₁、R₂、R₃和R₄的坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)，以及获取的距离d₁、d₂、d₃和d₄，对移动接收端的参考坐标(x,y,z)进行求解：

(6-1)以三个为一组，对发射端R₁、R₂、R₃和R₄进行分组，获得四组发射端组合：R₁(x₁,y₁,z₁)、R₂(x₂,y₂,z₂)和R₃(x₃,y₃,z₃)，R₁(x₁,y₁,z₁)、R₂(x₂,y₂,z₂)和R₄(x₄,y₄,z₄)，R₁(x₁,y₁,z₁)、R₃(x₃,y₃,z₃)和R₄(x₄,y₄,z₄)，R₂(x₂,y₂,z₂)、R₃(x₃,y₃,z₃)和R₄(x₄,y₄,z₄)；

(6-2)根据发射端R₁、R₂、R₃和R₄的坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)及距离d₁、d₂、d₃和d₄，分别计算移动接收端的第一坐标(x',y',z')、第二坐标(x”,y”,z”)、第三坐标(x”',y”',z”')和第四坐标(x””,y””,z””)以及各距离对应的权重系数ω₁、ω₂、ω₃和ω₄，其中，

(x1-x′)2+(y1-y′)2+(z1-z′)2=d12(x2-x′)2+(y2-y′)2+(z2-z′)2=d22(x3-x′)2+(y3-y′)2+(z3-z′)2=d32]]>式(4)

(x1-x′′)2+(y1-y′′)2+(z1-z′′)2=d12(x2-x′′)2+(y2-y′′)2+(z2-z′′)2=d22(x4-x′′)2+(y4-y′′)2+(z4-z′′)2=d42]]>式(5)

(x1-x′′′)2+(y1-y′′′)2+(z1-z′′′)2=d12(x3-x′′′)2+(y3-y′′′)2+(z3-z′′′)2=d32(x4-x′′′)2+(y4-y′′′)2+(z4-z′′′)2=d42]]>式(6)

(x2-x′′′′)2+(y2-y′′′′)2+(z2-z′′′′)2=d12(x3-x′′′′)2+(y3-y′′′′)2+(z3-z′′′′)2=d32(x4-x′′′′)2+(y4-y′′′′)2+(z4-z′′′′)2=d42]]>式(7)；

ωi=d5-i2Σi=14di2,i=1,2,3,4;]]>

(6-3)根据分别获取的移动接收端的第一坐标(x',y',z')、第二坐标(x”,y”,z”)、第三坐标(x”',y”',z”')和第四坐标(x””,y””,z””)、以及各距离对应的权重系数，计算移动接收端的参考坐标(x,y,z)；其中，

x=d42·x′d12+d22+d32+d42+d32·x′′d12+d22+d32+d42+d22·x′′′d12+d22+d32+d42+d12·x′′′′d12+d22+d32+d42y=d42·y′d12+d22+d32+d42+d32·y′′d12+d22+d32+d42+d22·y′′′d12+d22+d32+d42+d12·y′′′′d12+d22+d32+d42z=d42·z′d12+d22+d32+d42+d32·z′′d12+d22+d32+d42+d22·z′′′d12+d22+d32+d42+d12·z′′′′d12+d22+d32+d42]]>式(8)；

(7)根据步骤(6)中计算的移动接收端的第一坐标(x',y',z')、第二坐标(x”,y”,z”)、第三坐标(x”',y”',z”')和第四坐标(x””,y””,z””)以及计算获取的移动接收端的参考坐标(x,y,z)，计算移动接收端最终定位数据(x_R,y_R,z_R)的定位误差(Δx,Δy,Δz)：

x′-x=Δx1x′′-x=Δx2x′′′-x=Δx3x′′′′-x=Δx4]]>式(9)

y′-y=Δy1y′′-y=Δy2y′′′-y=Δy3y′′′′-y=Δy4]]>式(10)

z′-z=Δz1z′′-z=Δz2z′′′-z=Δz3z′′′′-z=Δz4]]>式(11)

Δx=Δx1+Δx2+Δx3+Δx44Δy=Δy1+Δy2+Δy3+Δy44Δz=Δz1+Δz2+Δz3+Δz44]]>式(12)

(8)根据计算获取的移动接收端的参考坐标(x,y,z)以及定位误差(Δx,Δy,Δz)，计算移动接收端的最终定位数据(x_R,y_R,z_R)：

xR=x+ΔxyR=y+ΔyzR=z+Δz]]>式(13)。