照明系统中的无线定位技术技术方案

本发明专利技术涉及一种用于在照明系统中进行定位的系统和方法。到达时间差（ＴＤＯＡ）、到达角（ＡＯＡ）、接收的信号强度指标（ＲＳＳＩ）和具有统一的ＴＤＯＡ和ＲＳＳＩ的位置估计算法中至少两个被用于获得定位。该方案引入最大似然估计策略，其合并了用于每个照明单元的、使用至少两个参考节点的偏导数矩阵，以便实现更高的精确度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】照明系统中的无线定位技术
技术介绍
在商业的和住宅的照明系统中，越来越令人感兴趣的是无线地控制系统中的各个照明单元，例如照明器，以便调节该照明及其效果。例如，在典型的100米X400米大小的温室中，部署近似10000到20000个配备有低成本无线节点的照明单元。这些节点也可以置于(reside)与对应的照明单元分离的位置处，尽管它们一起形成照明单元或照明单元节点。所有这些无线节点形成网络，例如网状网络，在网络中命令可以从任何无线控制点(或控制点节点)被发送到网络中的任何节点。因此，控制点需要知道该设施(facility)中每个照明单元的确切位置。存在当前用于确定系统中每个照明单元的位置的若干个已知的算法/协议。这些算法或协议包括接收的信号强度指标(RSSI)、到达角(AOA)和到达时间差 (TDOA)0每个方案具有它自己的优点和缺点。照明系统的无线控制提供了除对系统中的照明单元进行远程开关和调光的能力之外的许多优点。例如，这种控制提供了设置并改变照明系统以及改进能量利用的便利方式。照明单元可以是任何类型或类型的组合，例如荧光的、高强度放电(HID)、发光二极管 (LED)、白炽的等等。利用许多种产品的能力允许该系统提供多个特征，例如应急照明控制， 其可以在不进行任何布线改变的情况下被添加。也可以通过可以容易地被修改以满足变化的需求的程序来调控(regulate)系统的能量利用。基于RSSI的定位协议受益于通过消除对无线节点中附加的硬件的需要而实现的简化，从而使得系统成本、功耗和物理尺寸(size)可以得到大大降低。然而，基于RSSI的定位协议要经受典型无线环境中的阴影(shadowing)和多径衰落，这不仅限制了测量精确度而且限制了测量范围。现有的基于RSSI的定位协议没有满足诸如温室或商用建筑物之类的照明单元系统中的大测量范围和高精确度要求。在基于AOA的系统中，定位协议使用定向天线或天线阵列来测量相对于位于已知位置处的点的角度或方位(bearing)，如图1所示。若干测量的方向指针(pointer)的交叉点产生位置值。AOA方法的精确度受到测量孔径(measuring aperture)的可能的方向性、受到阴影效应(shadowing)以及受到从误导的方向到达的多径反射的限制。此外，定位 (positioning)估计误差随着定位范围而线性增加。基于射频传播延迟的系统，例如飞行时间(TOF)系统，依赖于信号发射器与接收器之间的定时的精确度。因此，在这种系统中高精确度同步是非常重要的。通过组合距三个参考节点的至少三个距离，可以使用三角测量(triangulation)来估计(estimate)可重定位的站的位置。另一方面，到达时间差(TDOA)系统使用到每个参考节点的信号到达时间差来计算从照明单元节点到每个参考节点的距离差，如图2所示。类似于TOF系统，需要从一个照明单元到至少两个参考节点的距离差来估计照明单元节点的位置。TDOA方法仅要求在这些参考节点之间的高精确度同步。在参考节点中需要早-晚接收器、硬件计数器和高精确度时钟。这些照明单元节点不需要任何附加的硬件或昂贵的时钟。这使得TDOA技术实施起来更加可行，特别是如果在网络中使用低成本的无线电设备(radio)。尽管TDOA系统不要求照明单元与参考节点之间的同步，但是它们的性能仍然受到低成本节点中的窄带宽无线电设备的限制。为了解决传统的基于定位的系统中普遍存在的许多缺点中的一些，要克服至少三个挑战(1)存在严重的多径衰落，特别是在室内环境中，其变为定位精确度的阻碍，(2) 为了减少参考节点的数量，测量范围应当大，这进一步增加了提高定位精确度的困难，以及 (3)为了降低系统成本，只采用低成本的商用无线电设备，其具有不精确的时钟和窄带宽。 此外，在典型地用在每个照明单元节点中的低成本无线电设备中不允许硬件更改。这些挑战中的每一个都需要提供具有提高的精确度和减少的开销(overhead)的位置定位系统和方法的解决方案。
技术实现思路
本专利技术总的涉及用于在照明系统中进行定位(localization positioning)并且在大规模设施(installation)(例如商用建筑物)中具有特别益处的系统和方法。到达时间差(TD0A)、到达角(AOA)和接收的信号强度指标(RSSI)中的至少两个连同位置估计算法一起用于确定定位。在本专利技术的一个实施例中，用于确定照明单元的位置的方法包括在多个参考节点处记录从照明单元发射的信号的到达时间，并且在每个参考节点处计算距离差。所述至少两个定位协议被提供成(provided into)偏导数矩阵，其中该偏导数矩阵包含至少两个子矩阵，第一子矩阵包含在每个照明单元的参考节点处测量的到达角相对于χ和y位置的偏导数，且第二子矩阵包含在对应的一个照明单元的一个参考节点处测量的距离差相对于χ 和y位置的偏导数。在本专利技术的另一个实施例中，用于确定照明单元的位置的方法包含从照明单元发射数据包，并且在多个参考节点处估计发射的数据包的信号强度。所估计的信号强度被嵌入到由接近发射照明单元的照明单元存储的数据包中，并且在参考节点处估计到达时间。该数据包被解码以获得关于每个照明单元的信息，并且邻近的照明单元的到达时间和信号强度被发送到参考节点。然后计算每个照明单元的位置估计。在该实施例的一个方面，所述方法包括在每个参考节点处记录来自每个照明单元的到达时间信号，以及将在参考节点之一处的所述记录传输到其他参考节点的每一个。 然后，在每个参考节点处计算距离差。所述至少两个定位协议然后被提供成偏导数矩阵，该偏导数矩阵包含至少三个子矩阵，第一子矩阵具有在每个参考节点处存储的测量的距离差相对于对应的照明单元的X和y位置的偏导数，第二子矩阵具有照明单元中的两个之间的测量的信号强度相对于χ和y位置的偏导数，以及第三子矩阵具有在每个照明单元到每个参考节点之间的信号强度。在本专利技术的又一个实施例中，用于确定照明单元的位置的方法包括使用TDOA信息估计每个照明单元的位置，并且在每个照明单元处使用来自接近该照明单元的其他照明单元的RSSI信息细化(refine)该位置。该位置估计是通过从每个照明单元发射包含所述信号强度的信号来确定的，该信号强度包含测量的RSSI，并且在每个参考节点处记录从每个照明单元发射的到达时间信号。所记录的发射的到达时间信号被提供给其他参考节点中的每一个，并且使用到达时间差估计每个照明单元的位置。作为估计的一部分，产生了代表性的拓扑图和tanner图，并且发生消息传递，其中在tanner图中被消息传递的信息包含具有不同方差(variance)的位置信息。然后计算连接到参考节点的每个照明单元的位置。本专利技术还涉及一种执行本专利技术的方法的系统。本文中描述了附加的特征和优点， 这些特征和优点将根据下文的描述和附图而清楚明白。附图说明附图是示意性的并且未按比例绘制。不同的附图中的相同参考数字指代相似的部件。图1是现有技术中已知的到达角定位方案的示范性图示。图2是现有技术中已知的到达时间差定位方案的示范性图示。图3示出根据本专利技术的实施例的具有四个节点的基于统一的到达时间差和到达角的协议的第一阶段。图4示出根据本专利技术的实施例的基于统一的到达时间差和到达角的本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．　一种用于确定照明系统中至少一个照明单元的位置的方法，包括：从所述至少一个照明单元发射信号；以及使用至少两个定位协议和位置估计方法估计所述至少一个照明单元的位置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：X鲍，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL