CN102892140B - 一种基于时间差测量的天线切换式射频定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于时间差测量的天线切换式射频定位方法，属于射频定位技术领域，其特征在于，以读写器所处位置为坐标原点，将天线组中的定位天线分布在空间中，并将其坐标信息录入主机。通过天线切换控制单元切换接入不同定位天线并测量从读写器发出信号到标签返回的信息被读写器所接收的时间间隔。测量数据在主机处经过处理得到在接入不同定位天线时电磁波在空间传播的时间差，通过时间差得到标签到达对应的两个不同天线的距离差，进而列出多组双曲面方程，将多组方程经过迭代计算即可得到标签的位置坐标。

Description

一种基于时间差测量的天线切换式射频定位方法

技术领域

本发明属于RFID技术领域，特别涉及一种基于时间间隔测量技术的射频定位方法。

背景技术

射频识别技术（Radio Frequency Identification,RFID）采用电磁波或磁场耦合的方式进行数据的传输，因此其最重要的特征就是非接触式识别。与其他接触式自动识别技术相比，射频识别技术具有很多优点，比如识别距离远、读取速率高、存储空间大、外形多样、可重复使用等等。

典型的射频识别系统主要由主机、读写器和射频标签三部分构成。主机通过数字接口实现对读写器的控制和数据的交换处理，为用户提供有效的信息。读写器是访问标签数据的设备，主要由天线、射频模块和基频模块构成。射频标签则由标签芯片和天线构成，被识别物体的信息存储在标签芯片中。当然，由于应用的要求不尽相同，射频识别系统的结构也是多样的。

本发明将射频识别技术用于无线定位系统。无线定位技术是通过特定的算法对接收到的电磁波的某些参数进行处理，以此来推断待测对象的位置。目前，在无线网络环境下进行定位服务的定位模式有信号强度法、收信角度法、收信时间、收信时间差等4种。

其中信号强度法(Received Signal Strength，RSS)定位技术有两种方法：信号传播模型定位和经验定位。其中信号传播模型定位方法必须结合具体的实际应用环境构建信号传播损失模型，只有这样，才能通过信号强度的衰减来判断待测物体与读写器之间的距离。由于无线电在室内传播会呈现出多重路径干扰衰减以及屏蔽效应，这些因素会造成接收信号强度与自由真空中传播结果的很大差异，从而使预估的传播距离产生误差，这样的话，待测物体的预估位置就不会与前面的计算交于一点，而会落在一个预估区域内；经验定位是在读写器工作的区域内取一些关键的位置作为目标标签的参考位置点，并事先将参考点的位置信息和信号强度信息存储在后台系统，这样将目标标签的返回信号强度信息与存储信息比对，就可以确定目标标签位置，该方法所需时间成本高，前期需要较长的经验积累，后期需要搜索数据库，定位精度很大程度上取决于静态参考点的位置和数目。

收信角度法(Angle of Arrival，AOA)定位技术的工作原理是利用具有方向性的天线或天线阵列来判断主动式标签信号可能的来源方向。该方法定位精度较高，但是由于需要昂贵的接收天线阵列，因此系统部署成本较高。在室内阻挡物较多和非视距影响的情况下，方向测量误差较大。

收信时间(Time of Arrival，TOA)定位技术采用几何原理，这与信号强度法的几何原理是相同的，唯一不同点是决定圆的半径的参数不是信号强度，而是信号的传播时间。将信号传播时间乘以传播速度，就可以得到主动式标签到读取器之间的距离。TOA对于时间的敏感度很高，必须十分准确地测量信号实际的传播时间。

收信时间差(Time Difference of Arrival，TDOA)定位技术通过测量信号从两个基站传播到使用者的时间差以双曲线定位的原理来进行定位。该方法测量出信号到达两个基站的时间差，每两个基站得到一个测量值，从而形成一个双曲线定位区。这样，三个基站就会得到两个双曲线定位区，通过求解它们的交界点就可以得到使用者的确切位置。TDOA是对TOA的改进，它要求所有参与工作的读写器在时间上要有严格的同步，否则无法完成对目标的跟踪定位。

本发明采用读写器而非标签作为定位的主动方，将读写器端的天线组中的天线分散排布在空间中，保证在测量范围内无论标签在什么位置都能被至少四个天线的场区所覆盖。主机中内设时间间隔测量模块，用来测量从系统的各个天线发送信号到接收到标签返回信号的时间差，然后将数据发往主机其它单元，将两两时间差比较，得到相对时间差，换算成距离差之后通过双曲面定位算法确定标签的位置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本同时也具有一定精确性的定位方法。本发明通过测量读写器天线组中的每个定位天线从发出信号到接收到来自同一标签的返回信号（定位信号)的时间间隔，将接入不同定位天线时测得的时间间隔处理得到相对传输时间差，并由此计算标签到不同定位天线的距离差，然后以定位天线为坐标，经过双曲面迭代算法解出标签的具体位置坐标。

本发明的特征在于依次含有以下步骤：

步骤（1）：

构建一个基于时间差测量的天线切换式射频定位系统：定位方包括：一个含有设定个数定位天线的天线组、一个天线切换控制单元、读写器和主机，

其中多个定位天线，分散排布在空间中，所述定位天线的数量和排布方式必须保证在测量范围内无论射频标签在什么位置均同时能被至少四个天线的场区所覆盖，

天线切换控制单元，每次切换接入一个所述定位天线，

读写器由基频模块、射频模块和功率放大模块依次串接而成，所述功率放大模块输出的射频信号通过所述天线切换控制单元后由一个被选通的所述定位天线发出，

主机，设有天线切换控制信号输出端，与所述天线切换控制单元的天线控制信号输入端相连，还设有与读写器通信的接口，包括读写器控制信号的输出端和读写器启动、终止时间间隔测量的信号输入端，在所述主机内预先设有：以所述读写器为原点的、全部的经过所述主机排序的各个所述定位天线的坐标信息，以及预先测出并存储的因所述读写器与所述各定位天线的连接电缆长度不同而引起的时差，还预置有：

时间间隔测量模块，以测量从所述读写器发出的定位信号到接收来自射频标签的返回信号的时间间隔，

被定位方，是空间中各个经主机排序的射频标签中被唤醒的一个，各所述射频标签均由射频天线和标签芯片依次连接而成，所述标签芯片在接收到读写器信号后能即刻产生接收触发信号，经过固定延迟后发送应答信号给读写器，该固定延迟时间经预先设置用以保证大于标签反应时间和解码时间，不影响正常通信过程；

步骤（2）：

所述基于时间差测量的天线切换式射频定位系统依次按以下步骤对所述射频标签进行无线定位：

步骤（2.1）：主机录入所述定位天线分布的坐标信息和所述由电缆引起的信号延迟时差，

步骤（2.2）：主机激活读写器，读写器通过天线切换单元和定位天线发送信号，顺序唤醒所述待定位的射频标签，

步骤（2.3）：主机向所述天线切换控制单元发出定位天线切换控制信号，选定某定位天线，所述天线切换控制单元在每次定位天线切换完成后向所述主机发出应答信号，

步骤（2.4）：主机向所述读写器发出定位控制信号，所述读写器据此通过所述天线切换控制单元选中的定位天线发送定位信号，所述读写器同时向主机中的时间测量模块发送时间间隔测量启动信号，

步骤（2.5）：所述标签的射频芯片通过所述射频天线接收到定位信号后即刻产生接收触发信号，经过固定延时后通过所述射频天线向所述读写器发送返回信号，

步骤（2.6）：所述读写器通过选定的定位天线接收到来自射频标签发出的返回信号后，立即向所述主机中的时间间隔测量模块发送停止测量信号，

步骤（2.7）：读写器对收到的所述射频标签发出的返回信号进行解码，如果返回信号正确，则该次测量的时差数据有效，存储后返回步骤（2.3），选择下一个定位天线，在完成设定次数测量后执行步骤（2.8），如果返回信号不正确，则该次测量的数据无效，直接返回步骤（2.3），选择下一个定位天线，

步骤（2.8）：主机按以下步骤确定被定位的一个射频标签的位置：

步骤（2.8.1）：从测量得到的所述读写器发出定位信号到读写器接收到来自所述射频标签的返回信号的时间间隔中减去预先测得的连接电缆引起的所述延迟时间，选择不同天线时计算得到的上述结果分别为t₁、t₂、t₃、t₄…t_n，其中n为场区能够覆盖所述标签位置的定位天线的数量，n≥4，其两两比较后相减的差值即为选定不同定位天线时电磁波在空间中传播的时间差Δt₁、Δt₂、Δt₃、Δt₄…Δt_n-1，按下式计算被选定的射频标签到达先后选通的两个不同定位天线的距离差Δd_x，其中c_a为电磁波在空气中的传播速度，x∈(1,2,…n-1),

步骤（2.8.2）：将每一组经上述步骤计算得到的距离差对应写为一个到两个天线的距离差为定值的双曲面方程，设总数为n的天线组中的天线坐标位置分别为（x₁,y₁,z₁）、（x₂,y₂,z₂）、…（x_n,y_n,z_n），则得到如下旋转双叶双曲面方程组：

$|\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}-\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2}|={\mathrm{\Δd}}_1$

$|\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2}-\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2+{(z-z_3)}^2}|={\mathrm{\Δd}}_2$

$\begin{array}{c}.\\ .\\ .\\ |\sqrt{{(x-x_{n-1})}^2+{(y-y_{n-1})}^2+{(z-z_{n-1})}^2}-\sqrt{{(x-x_n)}^2+{(y-y_n)}^2+{(z-z_n)}^2}|={\mathrm{\Δd}}_{n-1}\end{array}$

其中Δd_x为标签6到这坐标是（x_n-1,y_n-1,z_n-1）和（x_n,y_n,z_n）的天线的距离差，坐标（x,y,z）为标签6在空间中的待定坐标，求解上述双曲面方程的近似交界点，即得到标签6的精确位置。

这种定位方法的优势在于仅需使用一个读写器，相对于其他多读写器定位方法省去了解决不同读写器之间的同步问题。相对于其它采用单读写器的定位方法本发明同样具有一定的优势，如专利200420003211.2和200810148801.7，其中专利200420003211.2虽然同样采用了天线切换装置但是只能确定带有标签的待测物体在某个天线的场区内而不能对物体实现准确定位，其精确性很大程度上依赖于天线的个数和排布方式，而本发明方法可以得到标签的精确位置坐标；专利200810148801.7使用同心放置的环状天线因而只能实现平面内的定位，且使用信号功率作为测量参数，即信号强度法(Received Signal Strength，RSS)，这个方法必须事先构建针对于该环境的电磁波传播损失模型，只有这样，才能通过信号强度的衰减来判断待测物体与读写器之间的距离，工作量大且系统的适应性相对较差，同时由于无线电在室内传播会呈现出多重路径干扰衰减以及屏蔽效应，这些因素会造成接收信号强度与自由真空中传播结果的差异很大，从而使预估的传播距离产生很大误差。而本发明采用时间差测量代替信号功率测量，不必预先构建传播损失模型，在现今时间差测量技术已经到达一定水平的基础上可以获得较高的定位精度。

附图说明

图1是本发明的硬件布置示意图。

图2是本发明的系统结构示意图。

图3是时差测量流程图。

图4为标签结构图。

具体实施方式

本发明通过切换不同定位天线并测量信号从读写器发出到标签的返回信息被读写器接收的时间间隔来完成对于标签的定位，测量数据在主机处经过处理计算得到标签的位置信息。

为了达到上述目的所采用的技术方案是：

如图1所示，将读写器端的天线组中的多个定位天线分散排布在空间中，定位天线的个数视实际应用的环境和精度要求而定，增加定位天线个数可以在一定程度上提升定位精度，但定位天线数量和排布方式必须保证在测量范围内无论标签在什么位置都同时能被至少四个定位天线的场区所覆盖。

系统如图2所示，天线组1与读写器4之间通过一个天线切换控制单元2连接。天线切换控制单元2在每次从读写器4发出信号到接收到来自标签6的返回信号的时间间隔测量完毕后切换接入下一个定位天线，使每个时刻只有一个定位天线处于工作状态。以读写器4所处位置为坐标原点，将所有定位天线的坐标信息预先录入主机5。同时，预先测量因读写器与定位天线的连接电缆长度不同引起的时差，将时差信息同样存入主机5。

如图4所示结构，本发明中的标签6在接收到读写器信号后能即刻产生接收触发信号，经过固定延迟后发送应答信号给读写器。该固定延迟时间预先设置保证其大于标签反应时间和解码时间，不影响正常通信过程。这样，从标签6接收到读写器4发来的信号到标签6送出返回信号的时间间隔为一固定值。

主机5中的时间间隔测量模块3需要完成从读写器4发出信号到接收到来自标签6的信号的时间间隔测量，系统的具体流程如图3所示，读写器4向标签6发出信号的同时将一个脉冲（start信号）送至时间间隔测量模块3的输入接口，触发测量；标签6的返回信号被读写器4接收后读写器4立即产生另一个脉冲（stop信号），使测量截止，而后时间间隔测量模块3将测量结果发送至主机5其它部分完成后续计算。同时，读写器对返回信号解码，如果读写器接收到的信息正确，则该次测量的时差数据有效，否则数据无效。

主机5主要完成信号处理，首先将接入不同序号定位天线时测得的时间间隔数据进行处理。该时间间隔包括读写器端电路引起的信号延迟，读写器与天线连接线引起的电磁波信号延迟，电磁波在空间中传播的时间，以及标签从接收到来自读写器的信号到标签开始响应向读写器返回数据的这段时间。由于使用同一个读写器，每次时差测量读写器电路引起的信号延迟相同，同时标签每次从接收到信号到应答时差相同，所以切换不同定位天线时所测量得到的时间间隔减去对应的读写器与定位天线连接线引起的电磁波延迟后再两两相减所得时间差Δt_x仅为电磁波通过不同定位天线发出时在空间中的传播时间差值。其中由于连接线导致的电磁波延迟可以预先测量。通过如下公式计算标签6到不同天线的距离差：

${\mathrm{\Δd}}_x=c_a\·\frac{{\mathrm{\Δt}}_x}{2},$ x∈(1,2,…n-1)，

其中Δd_x为到不同定位天线的距离差，c_a为电磁波在空气中的传播速度，n为场区可以覆盖所述标签位置的定位天线的数量。

在空间中建立坐标系，将每个定位天线位置对应的坐标预先录入主机。每一组经上述公式计算得到的距离差可以对应写为一个到两个定位天线坐标位置的距离差为定值的双曲面方程。设两个定位天线的坐标位置分别为（x₁,y₁,z₁）和（x₂,y₂,z₂），则可以得到如下旋转双叶双曲面方程： $|\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}-\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2}|={\mathrm{\Δd}}_1$ 其中Δd₁为标签到这两个定位天线的距离差，坐标（x,y,z）为标签6在空间中的待定坐标。

多组距离差可以列出多组上述形式的旋转双叶双曲面方程，通过多次迭代求解它们的交界点就可以得到标签6的确切位置。

本发明共需要一个读写器4，一个含有多个定位天线的天线组1，一个天线切换控制单元2，、待定位目标标签6、一台主机5，内设一个时间间隔测量单元3，以及各个模块之间相连的电缆来实现三维空间中对于目标标签的定位。

如图1所示，读写器4和天线组1通过天线切换控制单元2相连，天线切换单元2除了需要有与读写器4、天线组1的接口以外还需要与主机5通信。来自主机5的控制信号送入天线切换单元2并通过其内部电路完成天线的轮换接入，使得在每次时间间隔测量模块3完成测量后切换定位天线，并且保证每一时刻只有一个天线处于工作状态。

读写器4与主机5相连；在主机5的控制下读写器4向标签6发出访问信号，于同一时刻读写器4对主机5内的时间间隔测量模块3发出脉冲（start信号），开启时间测量。该访问信号由此时被选中的定位天线发出，触发标签6，标签6响应并返回信号。经同一定位天线接收后信号到达读写器4，读写器4立即发出stop信号给时间测量模块3，测量停止。主机5的时间测量模块3将计算start信号和stop信号的时间间隔信息，再由主机5的其它单元完成信号处理并发出控制信号给天线切换控制单元2和读写器4，开始下一次测量。

主机5将接入不同序号定位天线时测得的时间间隔处理得到时间差，然后经过计算可得标签到不同定位天线的距离差。以定位天线位置为坐标，每一组距离差对应一个到两个定位天线位置的距离差为定值的双曲面的方程，经过迭代即可得到标签6的近似位置坐标。

所述的时间间隔测量模块3通过Start信号和stop信号触发或停止；计算结果送至主机5其它单元完成后续计算。

定位过程的具体步骤如图3所示。

Claims (1)

1.一种基于时间差测量的天线切换式射频定位方法，其特征在于，依次含有以下步骤，步骤(1)：

构建一个基于时间差测量的天线切换式射频定位系统：定位方包括：一个含有设定个数定位天线的天线组、一个天线切换控制单元、读写器和主机，

其中多个定位天线，分散排布在空间中，所述定位天线的数量和排布方式必须保证在测量范围内无论射频标签在什么位置均同时能被至少四个天线的场区所覆盖，

天线切换控制单元，每次切换接入一个所述定位天线，

读写器由基频模块、射频模块和功率放大模块依次串接而成，所述功率放大模块输出的射频信号通过所述天线切换控制单元后由一个被选通的所述定位天线发出，

主机，设有天线切换控制信号输出端，与所述天线切换控制单元的天线控制信号输入端相连，还设有与读写器通信的接口，包括读写器控制信号的输出端和读写器启动、终止时间间隔测量的信号输入端，在所述主机内预先设有：以所述读写器为原点的、全部的经过所述主机排序的各个所述定位天线的坐标信息，以及预先测出并存储的因所述读写器与所述各定位天线的连接电缆长度不同而引起的时差，还预置有：

时间间隔测量模块，以测量从所述读写器发出的定位信号到接收来自射频标签的返回信号的时间间隔，

被定位方，是空间中各个经主机排序的射频标签中被唤醒的一个，各所述射频标签均由射频天线和射频标签芯片依次连接而成，所述射频标签芯片在接收到读写器信号后能即刻产生接收触发信号，经过固定延迟后发送应答信号给读写器，该固定延迟时间经预先设置用以保证大于射频标签反应时间和解码时间，不影响正常通信过程；

步骤(2)：

所述基于时间差测量的天线切换式射频定位系统依次按以下步骤对所述射频标签进行无线定位：

步骤(2.1)：主机录入所述定位天线分布的坐标信息和所述由电缆长度不同而引起的时差，

步骤(2.2)：主机激活读写器，读写器通过天线切换控制单元和定位天线发送信号，顺序唤醒待定位的射频标签，

步骤(2.3)：主机向所述天线切换控制单元发出定位天线切换控制信号，选定某定位天线，所述天线切换控制单元在每次定位天线切换完成后向所述主机发出应答信号，

步骤(2.4)：主机向所述读写器发出定位控制信号，所述读写器据此通过所述天线切换控制单元选中的定位天线发送定位信号，所述读写器同时向主机中的时间间隔测量模块发送时间间隔测量启动信号，

步骤(2.5)：所述射频标签的射频芯片通过所述射频天线接收到定位信号后即刻产生接收触发信号，经过固定延时后通过所述射频天线向所述读写器发送返回信号，

步骤(2.6)：所述读写器通过选定的定位天线接收到来自射频标签发出的返回信号后，立即向所述主机中的时间间隔测量模块发送停止测量信号，

步骤(2.7)：读写器对收到的所述射频标签发出的返回信号进行解码，如果返回信号正确，则该次测量的时差数据有效，存储后返回步骤(2.3)，选择下一个定位天线，在完成设定次数测量后执行步骤(2.8)，如果返回信号不正确，则该次测量的数据无效，直接返回步骤(2.3)，选择下一个定位天线，

步骤(2.8)：主机按以下步骤确定被定位的一个射频标签的位置：

步骤(2.8.1)：从测量得到的所述读写器发出定位信号到读写器接收到来自所述射频标签的返回信号的时间间隔中减去预先测得的由于所述电缆长度不同而引起的时差，选择不同天线时计算得到的上述结果分别为t₁、t₂、t₃、t₄…t_n，其中n为场区能够覆盖所述射频标签位置的定位天线的数量，n≥4，其两两比较后相减的差值即为选定不同定位天线时电磁波在空间中传播的时间差Δt₁、Δt₂、Δt₃、Δt₄…Δt_n-1，按下式计算被选定的射频标签到达先后选通的两个不同定位天线的距离差Δd_x，其中c_a为电磁波在空气中的传播速度，x∈(1,2,…n-1),

步骤(2.8.2)：将每一组经上述步骤计算得到的距离差对应写为一个到两个天线的距离差为定值的双曲面方程，设总数为n的天线组中的天线坐标位置分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、…(x_n,y_n,z_n)，则得到如下旋转双叶双曲面方程组：

$\begin{array}{c}|\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}-\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2}|=\mathrm{\Δ}{d}_1\\ |\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2}-\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2+{(z-z_3)}^2}|=\mathrm{\Δ}{d}_2\\ .\\ .\\ .\\ |\sqrt{{(x-x_{n-1})}^2+{(y-y_{n-1})}^2+{(z-z_{n-1})}^2}-\sqrt{{(z-x_n)}^2+{(y-y_n)}^2+{(z-z_n)}^2}|=\mathrm{\Δ}{d}_{n-1}\end{array}$

其中Δd_n-1为射频标签到这两个坐标是(x_n-1,y_n-1,z_n-1)和(x_n,y_n,z_n)的天线的距离差，坐标(x,y,z)为射频标签在空间中的待定坐标，求解上述双曲面方程的近似交界点，即得到射频标签的精确位置。