基于天線陣列相位差測向射頻識別的無線定位方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于天線陣列相位差測向射頻識別進行無線定位的方法及系統(tǒng)，為RFID閱讀器配置包含多個接收天線單元和發(fā)射天線單元的天線陣列，通過檢測多個接收天線單元所收到的RFID標簽后向散射射頻電磁波信號的相位差以得到對標簽方位角的測向數(shù)據(jù)信息，再結合單閱讀器的測距數(shù)據(jù)或多個閱讀器的測向數(shù)據(jù)進行測向測距定位或交叉測向定位以獲取RFID標簽的物理位置數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)對RFID標簽所附著目標的精確無線定位，為用戶提供簡單靈活、經(jīng)濟優(yōu)質的射頻識別無線定位服務。
【專利說明】基于天線陣列相位差測向射頻識別的無線定位方法及系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于無線定位【技術領域】，特別是涉及一種基于天線陣列相位差測向射頻識別進行無線定位的方法及系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]無線定位是指采用無線射頻通信技術在工作區(qū)域內對目標位置進行實時連續(xù)動態(tài)的跟蹤測量，其基本工作原理是通過檢測發(fā)射接收的無線射頻電磁波信號的特性參數(shù)及所攜帶的數(shù)據(jù)信息以得到待定位目標的物理位置信息。射頻識別(RFID)是一種非接觸式自動信息識別傳輸技術，其基本系統(tǒng)包括兩個部分=RFID應答器和RFID讀寫器。RFID應答器(也稱為RFID標簽)，存儲有所附著目標對象(如商品、貨物、證件等)的唯一標示符數(shù)據(jù)，也可存儲目標對象的特定應用數(shù)據(jù)信息，如商品產地、送貨地址、身份信息等；RFID讀寫器(也稱為RFID閱讀器)，通過無線射頻信號與RFID標簽通信以讀取其唯一標示符和應用數(shù)據(jù)信息。根據(jù)所使用無線射頻信號的頻段，RFID技術可分為低頻(LF)、高頻(HF)和超高頻(UHF)三類，其中UHF RFID技術具有遠距離、快速識別、多標簽讀取等優(yōu)點，適于設計基于RFID技術的無線定位系統(tǒng)。在一個RFID無線定位系統(tǒng)中，RFID閱讀器使用天線發(fā)射無線射頻電磁波，RFID標簽接收電磁波以從中獲取工作電源能量并使用所存儲的數(shù)據(jù)信息調制及后向散射電磁波，RFID閱讀器使用天線接收并解調RFID標簽后向散射電磁波的特性參數(shù)及所攜帶的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)對RFID標簽所存儲數(shù)據(jù)信息的非接觸式射頻識別讀取，同時實現(xiàn)對RFID標簽所附著目標物理位置的無線定位。已有的RFID無線定位系統(tǒng)主要有四種工作原理，第一種是基于閱讀器基站定位，定位系統(tǒng)布置有多個RFID閱讀器作為定位基站，通過判斷待定位RFID標簽處于哪些RFID閱讀器的識別范圍內從而根據(jù)RFID閱讀器的位置實現(xiàn)基站接近定位，系統(tǒng)在技術層面雖易于實施但定位精度低，為提高定位精度需要大量增加RFID閱讀器數(shù)量，因而系統(tǒng)建造成本和布置復雜度都很高；第二種是基于接收信號強度(RSSI)定位，RFID閱讀器通過檢測RFID標簽后向散射信號的強度估計RFID標簽到RFID閱讀器的距離，再通過多個RFID閱讀器的距離測量結果進行三角計算實現(xiàn)定位，系統(tǒng)構造簡單且不需要布置大量RFID閱讀器，但由于射頻信號強度受復雜傳播環(huán)境及多徑衰落等因素的影響存在定位精度低的缺點，并且容易受到其它無線通信系統(tǒng)的干擾；第三種是基于收發(fā)延遲測距定位，RFID閱讀器通過檢測RFID標簽后向散射返回RFID閱讀器天線的信號與發(fā)射信號的時間或相位延遲得到RFID標簽到RFID閱讀器的距離，并通過多個RFID閱讀器的距離測量結果進行三角計算以實現(xiàn)對RFID標簽定位，可以得到較高的定位精度，但由于定位系統(tǒng)仍然需要布置多個閱讀器，其建設的復雜度和成本仍然比較高；第四種是基于定向天線測向定位，RFID閱讀器采用具有高方向性增益的定向天線，通過調整天線波束的指向并檢測是否存在有效的RFID標簽的返回信號以獲得RFID標簽的方位角信息，再結合多個RFID閱讀器的測向或測距結果實現(xiàn)RFID標簽定位，定向天線的使用也有助于提高信噪比從而得到較高的定位精度，但天線波束有限的方向性使其定位精度仍然受到很大的限制，實現(xiàn)天線波束空間掃描測向的系統(tǒng)設計建設也比較復雜昂貴。
【發(fā)明內容】

[0003]針對上述技術現(xiàn)狀的不足，本發(fā)明提供一種基于天線陣列相位差測向射頻識別進行無線定位的方法及系統(tǒng)，其RFID閱讀器配置有包含多個接收天線單元和發(fā)射天線單元的天線陣列，RFID閱讀器通過檢測天線陣列各個天線單元所接收RFID標簽后向散射射頻電磁波信號的相位差以得到對標簽方位角的測向信息，再結合單RFID閱讀器的測距結果進行測向測距定位或多RFID閱讀器的測向結果進行交叉測向定位以獲取RFID標簽的物理位置信息，實現(xiàn)對RFID標簽所附著目標的射頻識別和精確無線定位，整個定位系統(tǒng)設計組成簡單靈活經(jīng)濟，有助于推進射頻識別無線定位技術的大規(guī)模布置應用。
[0004]本發(fā)明所給出的技術方案詳細內容如下:
[0005]一、基于天線陣列相位差測向射頻識別的無線定位方法
[0006]本發(fā)明的方法RFID閱讀器使用所配置天線陣列的發(fā)射天線單元向待識別定位的RFID標簽發(fā)射射頻電磁波，RFID標簽的天線接收電磁波以從中獲取工作所需的電源能量或通過配備電池作為工作電源，RFID標簽同時使用所存儲的射頻識別數(shù)據(jù)編碼信息調制其天線的端接阻抗匹配狀態(tài)以反射電磁波信信號進行電磁波的后向散射，RFID閱讀器使用所配置天線陣列的各個接收天線單元接收并解調RFID標簽后向散射的電磁波所攜帶的射頻識別數(shù)據(jù)及電磁波相位參數(shù)信息，并對多個接收天線單元的相位差數(shù)據(jù)進行測量計算以獲得RFID標簽方位角的測向信息，再進行多RFID閱讀器交叉測向定位或單RFID閱讀器測向測距定位，即可獲得RFID標簽的坐標位置信息，實現(xiàn)射頻識別和無線定位功能。
[0007]本發(fā)明的方法RFID閱讀器所配置天線陣列的各個天線單元之間具有特定的相對位置和距離關系，各個天 線單元所接收的后向散射電磁波信號之間的相位差和RFID標簽相對于RFID閱讀器天線陣列的方位角之間具有特定的對應關系，一個典型的天線陣列具有兩個接收天線單元和一個接收發(fā)射天線單元，三個天線單元成直角排列，接收發(fā)射天線單元位于直角頂點并設置為直角坐標系原點，兩個接收天線單元分別處于X軸與Y軸上，與接收發(fā)射天線單元的距離均為d，天線單元為半空間波束天線，其波束指向與Z軸方向一致，將RFID標簽相對于RFID閱讀器天線陣列的方位角定義為由天線陣列直角頂點至標簽連線與X、Y、Z坐標軸正向之間的夾角組成，SP (α, β, Y)，方位角分量α、β的取值范圍為≥O且≤π，方位角分量Y的取值范圍為≥O且≤π /2, RFID標簽的直角坐標形式位置用(x，y，z)表示，則通過測量各個天線單元所接收電磁波信號之間的相位差對標簽進行無線定位的方法包括下列步驟:
(1)將位于X軸的接收天線單元與位于原點的接收發(fā)射天線單元所接收電磁波信號之間的相位差表示為Px，則使用RFID閱讀器對Px的測量值和如下公式計算獲得RFID標簽的方位角α分量為:
【權利要求】
1.一種基于天線陣列相位差測向射頻識別的無線定位方法，RFID閱讀器使用所配置天線陣列的發(fā)射天線單元向待識別定位的RFID標簽發(fā)射射頻電磁波，RFID標簽的天線接收電磁波以從中獲取工作所需的電源能量或通過配備電池作為工作電源，RFID標簽同時使用所存儲的射頻識別數(shù)據(jù)編碼信息調制其天線的端接阻抗匹配狀態(tài)以反射電磁波信信號進行電磁波的后向散射，RFID閱讀器使用所配置天線陣列的各個接收天線單元接收并解調RFID標簽后向散射的電磁波所攜帶的射頻識別數(shù)據(jù)及電磁波相位參數(shù)信息，并對多個接收天線單元的相位差數(shù)據(jù)進行測量計算以獲得RFID標簽方位角的測向信息，再進行多RFID閱讀器交叉測向定位或單RFID閱讀器測向測距定位，即可獲得RFID標簽的坐標位置信息，實現(xiàn)射頻識別和無線定位功能。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于天線陣列相位差測向射頻識別的無線定位方法，其特征在于:RFID閱讀器所配置天線陣列的各個天線單元之間具有特定的相對位置和距離關系，各個天線單元所接收的后向散射電磁波信號之間的相位差和RFID標簽相對于RFID閱讀器天線陣列的方位角之間具有特定的對應關系，一個典型的天線陣列具有兩個接收天線單元和一個接收發(fā)射天線單元，三個天線單元成直角排列，接收發(fā)射天線單元位于直角頂點并設置為直角坐標系原點，兩個接收天線單元分別處于X軸與Y軸上，與接收發(fā)射天線單元的距離均為d，天線單元為半空間波束天線，其波束指向與Z軸方向一致，將RFID標簽相對于RFID閱讀器天線陣列的方位角定義為由天線陣列直角頂點至標簽連線與X、Y、Z坐標軸正向之間的夾角組成，即(α , β , Y),方位角分量α、β的取值范圍為≥O且≤Ji，方位角分量Y的取值范圍為≥O且≤π/2, RFID標簽的直角坐標形式位置用(X，y, ζ)表示，則通過測量各個天線單元所接收電磁波信號之間的相位差對標簽進行無線定位的方法包括下列步驟: (1)將位于X軸的接收天線單元與位于原點的接收發(fā)射天線單元所接收電磁波信號之間的相位差表示為Ρχ，則使用RFID閱讀器對Px的測量值和如下公式計算獲得RFID標簽的方位角α分量為:
3.根據(jù)權利要求2所述的基于天線陣列相位差測向射頻識別的無線定位方法，其特征在于:RFID閱讀器在通過測量天線單元所接收電磁波信號之間的相位差對RFID標簽進行無線定位的方法中采用如下有效性判據(jù)解決測量誤差所導致的無效數(shù)據(jù)問題: (1)RFID閱讀器對天線單元相位差測量數(shù)據(jù)進行多次算數(shù)平均得到所需的Px和Py測量值，從而減少隨機測量誤差，并通過校準技術消除各個接收天線單元至閱讀器的信號傳輸路徑失配誤差； (2)使用Px測量值計算RFID標簽的方位角α分量時，如果Px> 2 π d/ λ，則取Px =231 d/ λ ,如果 Px < -2 d/ λ，則取 Px = -2 d/ λ ; (3)使用Py測量值計算RFID標簽的方位角β分量時，如果Py> 2 π d/ λ，則取Py =231 d/ λ ,如果 Py < -2 d/ λ，則取 Py = -2 d/ λ ; (4)根據(jù)方位角α和β分量的測量結果在直角坐標系中計算確定方位角Y分量時，如果有 cos2 a+cos2 β >1，即(λΡχ)2+(λΡY)2 > (2Jid)2，則取 Y = π/2，并相應地直接求解得到ζ = 0; (5)針對雙閱讀器配置情況，測量計算RFID標簽相對于兩個閱讀器的方位角分量a、α'時，如果有a-a’ = 0，則使用單閱讀器側向測距模式進行定位。
4.根據(jù)權利要求3所述的基于天線陣列相位差測向射頻識別的無線定位方法，其特征在于:RFID閱讀器所采用天線陣列能分離布置發(fā)射天線單元以保證有效的收發(fā)隔離，天線單元可以擴展為全空間天線，通過增加布置多個接收天線單元和發(fā)射天線單元并調整優(yōu)化其波束方向可實現(xiàn)對全空間工作區(qū)域的有效覆蓋，天線陣列各個天線單元布置的拓撲結構可以根據(jù)應用場景進行靈活調整，閱讀器數(shù)目可以擴展為兩個以上進行多次交叉測向定位，也可以結合交叉測向定位和測向測距定位進行混合定位，再通過統(tǒng)計多次定位結果數(shù)據(jù)而進一步提聞無線定位的精度。
5.一種基于天線陣列相位差測向射頻識別的無線定位系統(tǒng)，包括RFID閱讀器、射頻電纜、天線陣列、RFID標簽和網(wǎng)絡服務器等子系統(tǒng)，RFID閱讀器通過射頻電纜與天線陣列的各個接收和發(fā)射天線單元相連，RFID標簽與RFID閱讀器以后向散射通信方式發(fā)送和接收射頻電磁波信號，RFID閱讀器從后向散射射頻電磁波信號中獲取RFID標簽所存儲的射頻識別數(shù)據(jù)并從中提取定位測量數(shù)據(jù)信息，RFID閱讀器以無線或有線方式互聯(lián)接入網(wǎng)絡服務器以進行數(shù)據(jù)交互，網(wǎng)絡服務器負責對RFID閱讀器射頻識別及定位測量數(shù)據(jù)信息的計算融合處理，并控制多個RFID閱讀器的協(xié)同工作。
6.根據(jù)權利要求5所述的基于天線陣列相位差測向射頻識別的無線定位系統(tǒng)，其特征在于:RFID閱讀器由接收模塊、發(fā)射模塊、多工模塊、基帶模塊和系統(tǒng)控制模塊組成，接收模塊和發(fā)射模塊分別負責后向散射射頻電磁波信號的接收和發(fā)射，接收模塊和發(fā)射模塊通過多工模塊與天線陣列的接收和發(fā)射天線單元相連接，基帶模塊負責產生發(fā)射模塊發(fā)射信號所需的基帶調制數(shù)據(jù)，并負責從接收信號中解調獲得射頻識別數(shù)據(jù)和各個接收天線單元所接收射頻電磁波 信號之間的相位差數(shù)據(jù)，再通過對相位差數(shù)據(jù)的計算處理獲得測向測距等無線定位數(shù)據(jù)，系統(tǒng)控制模塊負責控制其它各個模塊的協(xié)同工作并提供無線或有線網(wǎng)絡通信功能。
【文檔編號】G01S5/02GK103984971SQ201410241186
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月31日 優(yōu)先權日:2014年5月31日
【發(fā)明者】范志廣 申請人:范志廣