CN102073045A - 相位测距射频标识定位系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于包括在数据集中的相位读数相位测量从RFID定位系统天线沿着查询信号波束到RFID标签的距离的方法和装置，其中所述数据集是通过监控与在多个频率的查询信号和共同查询信号波束方向对应的应答信号而获得的；所述方法和装置将所测量相位和频率数据集与在与查询信号的波束广度相对应的位置范围上针对相同频率计算的理论相位进行比较。

Description

相位测距射频标识定位系统
交叉参照相关申请
本申请要求Russel Hofer和Graham P.Bloy于2009年10月16日提交的美国实用新型专利申请号为12/580365、名称为“Phase Ranging RFID Location System”的权益。
技术领域
本发明涉及无触摸识别、定位和/或跟踪系统。更特别地，本发明涉及一种利用相位测距(Phase Ranging)来确定从系统天线到目标射频标识(RFID)的距离的RFID识别、定位和/或跟踪系统。
背景技术
Bloy等人共有的PCT专利申请公开WO 2009/035723(名称为“Radio Frequency Signal Acquisition and Source Location System(射频信号获取和源定位系统)”，于2009年3月19日公开)特此全部纳入作为参考，公开了一种实时RFID定位系统，其利用耦合到一个或多个智能扫描天线信号获取和源定位(SASL)模块的智能跟踪和控制系统(ITCS)(ITCS安装件)使得能够对任意摆放和/或在给定目标区域(空间)内移动的RFID标签精确地三维定位。无接触识别、定位和/或跟踪系统，例如WO 2009/035723中公开的ITCS物体识别系统，能够对标签和/或标签项进行识别和定位，将标签或标签项的出现、消失、定位或协同定位归于重要地位，从而促进更好的商业进程决策。
SASL可操控相位阵列天线可被配置成提供高精度的查询波束方向反馈(interrogation beam direction feedback)，能够通过可以定位目标RFID所在的空间来识别矢量。然而，如果没有更多的输入，则对从天线沿着波束到目标RFID所在的位置的距离进行测距是无法获得空间内目标RFID的三维位置的。
当提供有更多的数据存储/处理能力时，例如在WO 2009/035723中公开的RFID定位系统可被进一步改进成通过RF环境指纹监控和分析来监控加标签和/或未加标签物体，如Boy于2009年2月29日提交的美国专利申请No.：12/395,595(名称为“Radio Frequency Environment Object Monitoring System and Methods of Use”(射频环境物体监控系统和使用方法))中所公开的，特此全部纳入作为参考。
ITCS安装件典型地包括为RFID位置计算提供高精度三角测量数据的多SASL。然而，最优的多SASL配置需要一个空间，该空间被配置成使得每个SASL能够从离散的摆放位置来扫描整个空间。典型空间中在使用期间的任一时刻的屏障和/或产品可能会对一个或多个SASL产生受阻塞的扫描区域，通过至少两个SASL来阻止扫描目标RFID，因此抑制了目标RFID的查询信号波束交叉点三角定位。进一步地，多SASL硬件、安装和维护的成本可能变得重大。
WO 2009/035723还公开了利用单个SASL的RFID范围定位的替代方法，比如信号发送/接收定时、返回信号强度指示(RSSI)、反常回波信号(ghost signal)分析和/或多信号平均。但是，利用这些替代方法的定位精度可能无法满足需要高精确度的RFID定位的需求。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种克服现有技术中的缺陷的物体监控解决方案。本发明的进一步的目的是促进RFID物体定位系统的配置便利性、操作稳定性和维护。
附图说明
作为并入和组成本说明书的一部分，附图图示了本发明的实施例，其中图中相同的参考编号表示相同的特性或元件并且可能未在它们出现的每个图像中进行具体描述，并且所述附图与上面给出的本发明的总体描述和下面给出的实施例的具体描述一起，用于解释本发明的原理。
图1是示例性RFID物体定位系统的示意框图。
图2是相位测距的示意处理图。
图3是论证空间周界(volume perimeter)内的波束广度的示意图。
图4是针对10英尺距离计算的、在一定频率范围上的示例性相位数据以及添加了理论相位线的图表。
图5是针对50英尺距离计算的、在一定频率范围上的示例性相位数据以及添加了理论相位线的图表。
图6是针对33英尺距离计算的、在一定频率范围上的示例性相位数据以及添加了理论相位线的图表。
图7是包括距离结果检验的相位测距的示意处理图。
具体实施方式
通过对RFID物体定位系统的操作参数的研究，发明人已认识到，在多个查询频率上分析从目标RFID接收的信号的相位可以得到以重要精度对目标RFID沿着查询信号波束的距离进行测距。
此处使用的相位测距是指以下过程：基于包含在以相同操控角度针对每个频率获得的数据集中的相位读数，计算从RFID定位系统天线沿着查询信号波束到标签的距离。
图1论证了具有信号相位检测和相位测距能力的示例性RFID定位系统。利用在定位处理器14控制下的波束操控单元12论证智能可操控相位阵列天线模块10。RFID读取模块16通过多频率收发器22的RF端口20将查询信号引导到可操控相位阵列天线18并且从该可操控相位阵列天线18接收相应信号。收发器22根据来自协议处理器26的控制指令，对于每条发送和接收信号路径通过数模发送和模数接收转换器24来处理期望信号。
RFID读取模块16包括相位检测电路28，该相位检测电路28提供相位数据和/或确定查询信号的相位与相应接收信号的相位之间的相位差。由于在零拍接收机(homodyne receivers)中测量相位信息的非单值性(ambiguity)，因此相位测量结果可能限于0到180度的范围，也就是，在接收机处背向散射(backscatter)信号的相位模量(modulus)。可替代地，此处描述的相位测距过程也容许-180到+180(0到360)度的输入相位。
RFID读取模块内进一步的信号分析通过幅度处理电路30和RFID标签单一化(singulation)电路32来执行，由此，对于每个RFID标签扫描，可以输出电子产品码(EPC)或者其他标签识别符、RSSI、频率、相位和时间戳用以通过ITCS和/或定位处理器进一步处理。包含相位检测能力的RFID读取模块16的供应商是加拿大多伦多的Sirit公司。波束操控角度信息(例如从波束操控单元12接收的Theta和Phi)也可以与每个RFID标签扫描以及表示存储在定位处理器14处的每个RFID标签扫描的组合数据集34相关联。也可以包括一个或多个附加智能可操控相位阵列天线模块10，每个模块将数据集34传送到定位处理器14。定位处理器14的输出36包括标签识别符、时间戳和相关RFID标签38的三维位置。
收发器22优选地配备有跳频能力，使得多高速RFID标签38能够以相同波束操控角度在例如902到928Mhz之间的频率范围上进行扫描，从而对每个频率生成数据集。跳频可以例如具有100、250或者500kHz的步长，其导致频率范围上250、100或50个步长。政府射频规范可能要求20秒内最小50跳频速率的频率变化。更快的频率变化可以使得扫描/计算速度增加。
相位测距方法借助如图2中所示的总体处理流程图进行了详细的描述。在50，通过空间的扫描引导查询信号波束来收集多个数据集34。所述扫描可以例如是光栅扫描或者其他扫描模式，比如根据先前数据优先排序来识别RFID标签38的位置。所述扫描可以在单个扫描频率上执行，在从RFID标签38接收到应答信号时中断，于是沿着相同波束方向在不同频率范围上重复多个读数。可替代地，所述扫描可以利用持续的跳频来执行，使得能够在可应用的政府RF发送机规范下应用最大信号强度。
当查询信号波束遇到RFID标签38时，天线接收沿着波束识别RFID标签的存在的应答信号，该应答信号触发对应于RFID标签扫描的数据集34(例如电子产品码(EPC)或者其他标签标识符、RSSI、频率、相位和时间戳)的数据捕捉。沿着相同波束的更多查询信号在附加频率上执行，记录每个查询信号频率的数据集34。比如背向散射调制的应答信号的rf分量的相位被包括在每个数据集34中。随着查询信号频率变化，接收的应答信号的相位将发生变化。数据集34可以按照标签标识符分组，产生数据矩阵用以下一步处理，包括推导每个RFID标签38的三维位置。
在进一步的实施例中，根据美国专利申请号12/395,595的RF环境指纹可以与每个数据集34相关联。
本领域技术人员将会理解，应用于单个波束方向/RFID标签数据集收集的不同查询信号频率的数量直接影响得到的距离计算的分辨力，其与对于所应用的每个查询信号频率而切换、生成、和处理数据所需的额外时间权衡(trade-off)。
为了对RFID标签扫描数据应用相位测距，在52，对于检测RFID标签38的波束方向，得到波束广度或者在即时方向上更短节块(segment)的感兴趣的波束广度。
在典型的安装中，指定空间40的周界，并且还已知天线18相对于空间40的位置。对于任何波束角度，可以通过三角学来计算波束与空间40的周界(比如底面和/或侧面)的交叉点。所述底面和/或侧面可以是物理或者逻辑部分和/或障碍，包括例如从中已知RFID标签38将被排除的期望排除区域周界和/或其中RFID标签38不希望被追踪的识别位置。一旦计算出波束的端点坐标，也可以计算出波束长度。比如图3所示，当波束在方位A-到A+上扫描(即从左到右)并且在朝向B的立面(elevation)上连续移动时，执行跨越由A-、A+到B-、B+定义的空间的底面的光栅扫描。在扫描期间的任何时候，可以绘制出一个直角三角形图，包括从天线中心处的点D垂直下落到底面的点E的垂直线、从D行进到表示天线查询波束中心的与底面的交叉点F的线、和沿着底面连接E和F的水平线。随着波束在底面上扫描，线DF的长度、波束广度将会变化，DF和EF的夹角也会发生变化。
在52识别的波束广度的端部可被引用为MIN和MAX，分别表示期望从天线沿着当前波束方向到当前RFID标签38的最小距离和最大距离。
可以应用进一步细化处理(refinement)来降低整个处理时间并且还提高抗噪性。例如，通过使用信号定时和/或数据集的RSSI数据来降低波束广度的理论长度，可以将MIN和MAX的距离降低到一个高概率的范围。如果信号定时表示在发出查询信号到从目标RFID标签接收背向散射调制之间的或长或短的期间，则波束广度离天线18或近或远的分段可能被优先检查。类似地，如果RSSI读数更高和/或更低，则这可能意味着目标RFID沿着信号波束的可能位置的范围更靠近和/或更远离。
在54进行沿着波束广度的相位测距。因为一开始并不知道从天线18沿着信号波束到标签的距离，因此假设一个任意距离，比如MIN、MAX、一个中点或当前波束广度的其它函数。在这个例子中，选用MIN＝10英尺的示例性距离。作为RFID读取模块的输出，记录的相位信息是180度的模量。随着针对相位和频率绘制数据集，如图4中所示，将会发现有三条离开它们原来位置180度的数据线。这是因为，相位是参考初始频率相位结果而记录的，并且如果随后的相位测量偏离理论相位(见下面)大于90度，则将通过加减180度的倍数来调整它们。因此，调整相位使得结果与理论相位读数最合适。理论相位＝phase at min Freq-(freq(Hz)-min Freq)*distance(ft)*360(deg)/c(ft/s)*2
在56，信号处理器生成一个理论数据集，其包括针对每个频率以及在MIN到MAX范围内的理论标签距离集的背向散射信号的相位。针对假设的10英尺的标签距离，图4中示出了这条理论线，例如通过计算一距离范围内的理论相位而计算出的数据点。将会注意到，该理论线与实际的标签相位测量具有不同的斜率。理论线的起点可能被选作所采用的第一相位与频率数据集坐标，因此实际的初始数据的起点和理论线重合，这简化了计算。
在58，信号处理器对每个检测到的RFID标签的数据集34进行迭代循环，以便确定对理论相位的最佳匹配，其识别从天线18沿着信号波束到RFID标签的距离。取代顺次计算与每个可用频率数据集34相关的理论距离/叠加(overlay)斜率微分，可以进行与频率数据集34的可用范围对应的代表性理论距离之间的比较，以便识别感兴趣的收敛理论距离范围，例如通过斜率比较和/或加/减运算，代表相关距离的斜率和理论结果的不同，其中收敛的理论距离范围内的可用频率数据集34随后被重新考虑用以最佳配合。
迭代循环针对MIN到MAX之间的大量距离中的每个距离生成理论曲线。如图4、图5和图6所论证的，如果实际距离大于理论距离，则记录数据的斜率将大于理论的，并且如果实际距离小于理论距离，则该斜率将小于(更缓)理论的。
接下来，对于每个距离步长将记录数据叠加到理论数据上。在某一距离中，记录数据的斜率和理论数据的斜率将至少平行，并且假如两者起点相同则将典型地重合。在当前的数据集示例中，这论证于图6中。因此，在当前示例中，从天线18沿着信号波束到RFID标签的距离是33英尺，理论距离应用后生成图6，在该示例中提供了数据集34的最佳斜率匹配。在70，具有最佳斜率匹配的理论距离被选作输出距离。
在加快定位处理的迭代方法的细化过程中，可以使用收敛的迭代处理，由此，先为比标签的假定距离更近的距离计算理论距离，接着为比标签的假定距离更远的距离计算理论距离。通过比较所述测量之间的数据集的斜率，能够排除大量的数据集34计算并且通过使用已知数学技术对实际距离进行快速收敛。
在更多的实施例中，例如图7所示，可以通过额外的检验步骤来测试从相位测距获得的结果输出距离的有效性。所述结果的检验可在64执行，对在60和62执行的数据完整性计算的结果进行操作。考虑到执行速度，这些计算可与58中的最佳匹配处理并行地进行。在60中，平方差和(Sum of Square Error，SSE)值计算如下：采用理论相位，从MIN到MAX之间相应测量数据中减去理论相位，并且对所有测量结果求平方和求和。在62中，通过如下过程针对水平线(斜率＝0，表示距离为0)计算平方总和(SST)：采用“理论相位”，从调整后的原数据减去理论相位，对所有测量结果求平方和求和。利用从60和62的SSE和SST输入，R_rawData(64)可以计算如下：
R_rawData(64)＝1-SSE/SST其中逼近1的R_rawData(64)表示良好匹配，逼近0的R值表示不良匹配。计算中的差错源可能是存在RF噪音源，生成了在数据获取和/或宽广相位平均期间正移动且被应用为数据集34的RFID标签38。为了易于决策，可以指定一个Threshold_R_rawData值。
在70中，如果R_rawData(64)＞Threshold_R_rawData，则接受相位测距结果，并且从位置处理器14输出物体RFID标签38的相应三维位置连同相关联的标签标识符和时间戳。如果R_rawData(64)不大于Threshold_R_rawData，则可以输出一个可替代的最佳猜想(例如根据WO2009/035723中披露的过程)和/或一个警报。并且，在多智能可操控相位阵列天线模块10将数据集34提供给定位处理器14的情况下，这些独立的相位测距计算的结果可被比较用以进一步检查。在处理速度不是很重要的地方，多扫描和计算循环可能沿着同一波束方向进行，以便进一步检验结果和/或提供数据用以平均得到的70距离输出，以生成一个更可信水平的最终结果。
当扫描多个RFID标签38时，对于当单个波束方向已识别多个RFID标签38时发现的每个RFID标签38，可以发生所描述的处理，RFID读取模块16的标签单一化电路32将会把所发现的每个RFID标签38分离成独一无二的数据集34。
此处已经针对在单个查询信号波束方向收集的数据描述了相位测距过程。因为查询信号波束具有一个一般圆锥面，还有一个随着距离变化的横断区域，在波束的横断区域重叠的多波束方向，可以检测到单个RFID标签38。为了改善系统响应时间，也可以利用与多波束方向相关联的数据集34。为了校正因为微小波束方向差别引起的相位差别，可以将校正因子(例如在系统配置期间确定的参数)加入到测量的相位中，该参数取决于RSSI比较和/或临近波束方向数据集34的映射，这也指示了哪个波束方向象是目标RFID标签38位置的中心点。
本领域技术人员将会理解，所公开的设备和系统相对于现有的多天线18三角测量法相比提供了巨大的装备、安装和维护优势，和/或与没有相位测距能力的单天线18标签定位系统相比在定位精度上提供了重要改进。
部件表格
  10   智能可操控相位阵列天线模块
  12   波束操控单元
  14   定位处理器
  16   RFID读取模块
  18   天线
  20   RF端口
  22   收发器
  24   变换器
  26   协议处理器
  28   相位检测电路
  30   幅度处理电路
  32   标签单一化电路
  34   数据集
  36   输出
  38   rfid标签
  40   空间
本领域技术人员将会理解，本发明不局限于此处描述的实施例，而是可应用于其他相似的应用当中，包括使用RFID标签或其他射频收发器跟踪、追踪和定位物体或项。在前面的描述中已经对比率、整数、组件或具有已知等效物的模块进行了参考，那么此处合并所述等效物就像被单独阐述一样。
尽管本发明已通过其实施例的描述得以阐述，并且尽管所述实施例已进行了详尽的描述，但是发明人并不意欲将所附权利要求的范围约束或者以任何方式限制到这些细节上。附加的优点和变动对于本领域技术人员将是易于看出的。因此，本发明在其更广方面不限于具体的细节、代表性的装置、方法以及已示出和描述的示例性示例。因此，在不脱离申请人的总发明构思的精神或范围的情况下，可以对这些细节做出偏差。而且，将会理解，在不脱离如由所附权利要求定义的本发明的范围或精神的情况下，可以对其进行改进和/或变动。

Claims (20)

1.一种RFID定位系统，包括：
RFID读取模块，其耦合到由波束操控单元调控的可操控相位阵列天线；
该RFID读取模块输出包括标签标识符、频率和相位的数据集；
该RFID读取模块包括具有多频率发送和接收能力的收发器；
定位处理器，用于接收数据集和波束方向参数；
该定位处理器输出与标签标识符相关联的RFID标签的三维位置。
2.如权利要求1的系统，其中所述数据集进一步包括返回信号强度指示符和时间戳。
3.如权利要求1的系统，其中所述定位处理器被配置用于对数据集进行相位测距处理。
4.一种在RFID定位系统中用于相位测距的方法，包括如下步骤：
当处于一频率的查询信号波束指向一方向时，从RFID标签接收应答信号；
生成与应答信号对应的包括应答信号的相位和频率的数据集；
交替多个频率之间的频率，并且对于相应于多个频率的多个应答信号中的每一个进一步生成数据集；
针对每个频率在沿着波束的多个距离中的每个距离上生成理论相位；
将穿过在每个频率在多个距离中的每个距离上的理论相位的线的斜率与穿过在每个频率在多个距离中的每个距离上的相位的线的斜率进行比较；和
选择穿过在每个频率的理论相位的线的斜率最接近于穿过在每个频率的相位的线的斜率的距离作为输出距离。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述查询信号波束的波束广度被确定；且多个距离中的每个距离在所述波束广度内。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述波束广度是针对传输查询信号波束的天线的位置和查询信号波束的方向而确定的。
7.如权利要求5所述的方法，其中所述波束广度是针对传输查询信号的天线的位置和在空间周界内的查询信号波束的方向而确定的。
8.如权利要求5所述的方法，其中所述空间周界包括逻辑部分。
9.如权利要求4所述的方法，其中每个数据集中的所述相位是180的模量。
10.如权利要求4所述的方法，其中每个数据集进一步包括标签标识符。
11.如权利要求4所述的方法，其中每个数据集进一步包括返回信号强度标识符。
12.如权利要求4所述的方法，其中每个数据集进一步包括时间戳。
13.如权利要求4所述的方法，其中所述理论相位通过如下方程式生成：
理论相位＝((phase at min Freq-Freq)*distance*360)/(c*2)，
其中phase at min Freq是与数据集的最小频率对应的相位；Freq是与正对其计算理论相位的频率对应的频率；distance是正对其计算理论相位的距离，以及c是光速。
14.如权利要求4所述的方法，进一步包括通过生成R_rawData＝1-SSE/SST来检验输出距离的步骤；其中SSE是平方差和，所述平方差和是通过将每个所述理论相位从对应于数据集的每个频率的相位中减去并且从相应测量的数据中减去每个理论相位、对所有测量结果进行平方和求和而得到的；以及SST是针对斜率为0的理论曲线而计算的平方总和。
15.如权利要求14所述的方法，其中R_rawData与Threshold_R_rawData作比较，并且如果R_rawData大于Threshold_R_rawData，则接受该输出距离。
16.如权利要求4所述的方法，进一步包括将输出距离作为三维坐标输出的步骤。
17.一种在RFID定位系统中用于相位测距的方法，包括如下步骤：
当在一频率的查询信号波束指向一方向时，从RFID标签接收应答信号；
确定查询信号的波束广度；
生成与应答信号对应的包括应答信号的相位和频率的数据集；
交替多个频率之间的频率，并且对于与多个频率对应的多个应答信号中的每一个进一步生成数据集；
在波束广度内，针对每个频率在沿着波束的多个距离中的每个距离，生成理论相位＝((phase at min Freq-Freq)*distance*360)/(c*2)；
其中phase at min Freq是与数据集的最小频率对应的相位；Freq是与正对其计算理论相位的频率对应的频率；distance是正对其计算理论相位的距离，以及c是光速；
比较穿过在每个频率在多个距离中的每个距离上的理论相位的线的斜率和穿过在每个频率在每个距离上的相位的线的斜率；和
选择穿过在每个频率的理论相位的线的斜率最接近于穿过在每个频率的相位的线的斜率的距离作为输出距离。
18.如权利要求17所述的方法，进一步包括通过生成R_rawData＝1-SSE/SST来检验输出距离的步骤；其中SSE是平方差和，所述平方差和是通过将每个所述理论相位从对应于数据集的每个频率的相位中减去并且从相应测量的数据中减去每个理论相位、对所有测量结果进行平方和求和而得到的；以及SST是针对斜率为0的理论曲线而计算的平方总和。
19.如权利要求18所述的方法，其中R_rawData和Threshold_R_rawData作比较，并且如果R_rawData大于Threshold_R_rawData，则接受该输出距离。
20.如权利要求17所述的方法，其中所述波束广度是针对传输查询信号波束的天线的位置和在空间周界内的查询信号波束的方向而确定的。
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