室内可见光定位的几种技术对比

陈至琪

（中国计量大学，浙江 杭州310000）

1 可见光通信定位技术简介

随着物联网技术的发展，可见光（VLC）室内定位越来越成为诸如GPS、无线基站定位技术的延伸和有效补充。在不影响室内照明的前提下，该技术可以通过对LED 照明光源进行信号调制，利用可见光提供高精度、快捷、稳定的定位服务。本文讨论的几种可见光定位技术，都有着硬件成本低、LED 光源布设简单、定位精度高的特点，都具有较好的可行性。可见光定位根据所用接收器件的不同，可分为光电探测器件（PD）和图像传感器（IS）。根据具体定位技术不同可分为RSS、TDOA、信号到达时间（TOA）、到达角度（AOA）以及基于图像传感器成像的定位技术。本文首先介绍的是RSS 定位技术，它利用了可见光在传输过程中自然衰减的朗伯模型，测算出接收器和LED 光源的距离，并利用噪声分析、最小二乘法、质心加权算法、接受强度比等算法来提高测量精度。第二种是基于图像传感器成像的定位方法，通过LED 光源透过透镜在感光面上成像的位置来测算出节点在空间坐标系中的位置。使用点光源和提高图像传感器的分辨率可以有效提高该方法的定位精度。最后一种是通过RSS/TDOA 混合定位方法来辨识NLOS 状态，并通过粒子滤波算法来定位未知移动节点。通过介绍几种低成本的可见光定位技术，本文将通过援引一些仿真和模拟实验的测试结果，来对比它们在定位精确度和可行性方面的表现。希望可以为将来可见光定位的实际应用提供真正适宜的技术方案。

2 几种VLC 定位方法

2.1 基于RSS 信号强度的VLC 定位

RSS 定位方法目前主要可分为两种，一种是基于信号强度衰减测算的定位方法，还有一种是基于RSS 指纹库匹配的定位技术。基于RSS 指纹库的定位主要是通过布设LED 光源后，建立每个位置的接收强度指纹数据库。简单易行，但是该方法定位精度低抗干扰能力弱，而且需要针对具体环境建立指纹库。基于信号强度衰减的定位方法主要依据朗伯模型，光链路的信道增益可以用下式表示

与相关函数检测法和小波降噪相比，这里要介绍的Allan 方差法是一种表示均方根随机漂移误差和平均时间关系的方法，通过直接观测出系统中的所有噪声来实现更好的降噪效果。在这里的降噪方法中并不需要观测所有的噪声，因为相关的研究指出影响可见光系统的噪声最主要是PD 中的散粒噪声。对Allan 方差法的原理做一个简述：先通过采集一段时间的信号数据（测量较长时间可以有效降低误差），然后利用FFT 变换将时域信号转化为频域信号并提取几个信号源的信号，再对每组信号采用Allan 方差法画出Allan 方差曲线并使用.

2.2 基于图像传感器成像的VLC 定位方法

像头获取的图像不是可直接用来测算定位的，所以需要做滤波等图像处理操作。首先是形态学滤波，包括了膨胀、腐蚀、开运算、闭运算等。这里通过对图像进行闭运算处理，得到了具有完整圆形的光源轮廓。然后把图像从背景图中分割出来，再提取图像特征并获取LED 光源的中心部分进行运算。

2.3 TDOA/RSS 混合定位算法

介绍了视距的估测之后，下面用粒子滤波算法来估计移动节点位置。具体算法如下，a.开始时初始化必要参数，设置粒子初始权值;b.进行LOS 状态辨识;c.通过运动方程来预测粒子位置;d.计算粒子观测似然并更新粒子权值;e.测算未知移动节点的位置。

3 方法对比及定位精度

前文提到的几种定位法相比，基于图像传感器法定位精度最高，它受到光在传输过程中的干扰以及传感器噪声的影响最小。在相关研究中，xyz 坐标的平均误差都在3cm 以内，实现了很好的定位效果。相比图像传感器法，RSS 定位法的布设没有那么简易，精度也不高。基于指纹采集的RSS 定位法前期的布设和采集过程更是繁琐，本文介绍了基于朗伯模型衰减测距的RSS 的定位精度还是较低，通过Allan 方差法以及小波降噪等手段有效提高了其精度。TDOA 定位法精度更好且对于时间同步要求低于TOA 定位，于是相关研究提出了基于TDOA 和RSS 的可行区域粒子滤波算法（TRFPF）。通过模拟仿真实验可以看出TRFPF 算法比起最小二乘法以及仅采用RSS 测距模型极大地提高了定位精度，比起最小二乘法平均提高了95.3%的定位精度[3]。

4 建议

可见光定位作为传统定位方法的延伸和补充，可以有效解决其他定位方法在室内定位时精度不足、占用和干扰现有的电磁波段等缺点。在技术实现上，建议优先使用图像传感器法，其精度高、布设简易、抗干扰能力强。而TDOA 和RSS 衰减模型测距法也不失为一种可以有效利用室内LED 光源进行高精度定位的手段。TRFPF 算法是TDOA 和RSS 两种定位方案结合，可以在不提高硬件复杂度的前提下降低干扰提高精度，是VLC 定位的一种研究发展方向。将来的可见光定位的普及应用一定是伴随着大数据采集分析，以及公共场所（如商场、超市）对于室内定位的需求。传统的定位手段只有米级的精度，而采用了图像传感器定位法或RSS/TDOA 定位法的精度都可以达到厘米级的精度，极大程度上满足了人们对室内定位的期望和实际应用的需求。同时本文所介绍VLC 定位方法的实现可以利用室内的现有的LED 光源，再结合手机摄像头或者其他价格低廉的传感器就可以提供便利的定位服务。