CN103984971A - 基于天线阵列相位差测向射频识别的无线定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于天线阵列相位差测向射频识别进行无线定位的方法及系统，为RFID阅读器配置包含多个接收天线单元和发射天线单元的天线阵列，通过检测多个接收天线单元所收到的RFID标签后向散射射频电磁波信号的相位差以得到对标签方位角的测向数据信息，再结合单阅读器的测距数据或多个阅读器的测向数据进行测向测距定位或交叉测向定位以获取RFID标签的物理位置数据信息，实现对RFID标签所附着目标的精确无线定位，为用户提供简单灵活、经济优质的射频识别无线定位服务。

Description

基于天线阵列相位差测向射频识别的无线定位方法及系统

技术领域

本发明属于无线定位技术领域，特别是涉及一种基于天线阵列相位差测向射频识别进行无线定位的方法及系统。

背景技术

无线定位是指采用无线射频通信技术在工作区域内对目标位置进行实时连续动态的跟踪测量，其基本工作原理是通过检测发射接收的无线射频电磁波信号的特性参数及所携带的数据信息以得到待定位目标的物理位置信息。射频识别(RFID)是一种非接触式自动信息识别传输技术，其基本系统包括两个部分：RFID应答器和RFID读写器。RFID应答器(也称为RFID标签)，存储有所附着目标对象(如商品、货物、证件等)的唯一标示符数据，也可存储目标对象的特定应用数据信息，如商品产地、送货地址、身份信息等；RFID读写器(也称为RFID阅读器)，通过无线射频信号与RFID标签通信以读取其唯一标示符和应用数据信息。根据所使用无线射频信号的频段，RFID技术可分为低频(LF)、高频(HF)和超高频(UHF)三类，其中UHF RFID技术具有远距离、快速识别、多标签读取等优点，适于设计基于RFID技术的无线定位系统。在一个RFID无线定位系统中，RFID阅读器使用天线发射无线射频电磁波，RFID标签接收电磁波以从中获取工作电源能量并使用所存储的数据信息调制及后向散射电磁波，RFID阅读器使用天线接收并解调RFID标签后向散射电磁波的特性参数及所携带的数据信息，实现对RFID标签所存储数据信息的非接触式射频识别读取，同时实现对RFID标签所附着目标物理位置的无线定位。已有的RFID无线定位系统主要有四种工作原理，第一种是基于阅读器基站定位，定位系统布置有多个RFID阅读器作为定位基站，通过判断待定位RFID标签处于哪些RFID阅读器的识别范围内从而根据RFID阅读器的位置实现基站接近定位，系统在技术层面虽易于实施但定位精度低，为提高定位精度需要大量增加RFID阅读器数量，因而系统建造成本和布置复杂度都很高；第二种是基于接收信号强度(RSSI)定位，RFID阅读器通过检测RFID标签后向散射信号的强度估计RFID标签到RFID阅读器的距离，再通过多个RFID阅读器的距离测量结果进行三角计算实现定位，系统构造简单且不需要布置大量RFID阅读器，但由于射频信号强度受复杂传播环境及多径衰落等因素的影响存在定位精度低的缺点，并且容易受到其它无线通信系统的干扰；第三种是基于收发延迟测距定位，RFID阅读器通过检测RFID标签后向散射返回RFID阅读器天线的信号与发射信号的时间或相位延迟得到RFID标签到RFID阅读器的距离，并通过多个RFID阅读器的距离测量结果进行三角计算以实现对RFID标签定位，可以得到较高的定位精度，但由于定位系统仍然需要布置多个阅读器，其建设的复杂度和成本仍然比较高；第四种是基于定向天线测向定位，RFID阅读器采用具有高方向性增益的定向天线，通过调整天线波束的指向并检测是否存在有效的RFID标签的返回信号以获得RFID标签的方位角信息，再结合多个RFID阅读器的测向或测距结果实现RFID标签定位，定向天线的使用也有助于提高信噪比从而得到较高的定位精度，但天线波束有限的方向性使其定位精度仍然受到很大的限制，实现天线波束空间扫描测向的系统设计建设也比较复杂昂贵。

发明内容

针对上述技术现状的不足，本发明提供一种基于天线阵列相位差测向射频识别进行无线定位的方法及系统，其RFID阅读器配置有包含多个接收天线单元和发射天线单元的天线阵列，RFID阅读器通过检测天线阵列各个天线单元所接收RFID标签后向散射射频电磁波信号的相位差以得到对标签方位角的测向信息，再结合单RFID阅读器的测距结果进行测向测距定位或多RFID阅读器的测向结果进行交叉测向定位以获取RFID标签的物理位置信息，实现对RFID标签所附着目标的射频识别和精确无线定位，整个定位系统设计组成简单灵活经济，有助于推进射频识别无线定位技术的大规模布置应用。

本发明所给出的技术方案详细内容如下：

一、基于天线阵列相位差测向射频识别的无线定位方法

本发明的方法RFID阅读器使用所配置天线阵列的发射天线单元向待识别定位的RFID标签发射射频电磁波，RFID标签的天线接收电磁波以从中获取工作所需的电源能量或通过配备电池作为工作电源，RFID标签同时使用所存储的射频识别数据编码信息调制其天线的端接阻抗匹配状态以反射电磁波信信号进行电磁波的后向散射，RFID阅读器使用所配置天线阵列的各个接收天线单元接收并解调RFID标签后向散射的电磁波所携带的射频识别数据及电磁波相位参数信息，并对多个接收天线单元的相位差数据进行测量计算以获得RFID标签方位角的测向信息，再进行多RFID阅读器交叉测向定位或单RFID阅读器测向测距定位，即可获得RFID标签的坐标位置信息，实现射频识别和无线定位功能。

本发明的方法RFID阅读器所配置天线阵列的各个天线单元之间具有特定的相对位置和距离关系，各个天线单元所接收的后向散射电磁波信号之间的相位差和RFID标签相对于RFID阅读器天线阵列的方位角之间具有特定的对应关系，一个典型的天线阵列具有两个接收天线单元和一个接收发射天线单元，三个天线单元成直角排列，接收发射天线单元位于直角顶点并设置为直角坐标系原点，两个接收天线单元分别处于X轴与Y轴上，与接收发射天线单元的距离均为d，天线单元为半空间波束天线，其波束指向与Z轴方向一致，将RFID标签相对于RFID阅读器天线阵列的方位角定义为由天线阵列直角顶点至标签连线与X、Y、Z坐标轴正向之间的夹角组成，即(α，β，γ)，方位角分量α、β的取值范围为≥0且≤π，方位角分量γ的取值范围为≥0且≤π/2，RFID标签的直角坐标形式位置用(x，y，z)表示，则通过测量各个天线单元所接收电磁波信号之间的相位差对标签进行无线定位的方法包括下列步骤：

(1)将位于X轴的接收天线单元与位于原点的接收发射天线单元所接收电磁波信号之间的相位差表示为P_X，则使用RFID阅读器对P_X的测量值和如下公式计算获得RFID标签的方位角α分量为：

$\mathrm{\α}=\arccos \left(\frac{\mathrm{\λ}{P}_X}{2\mathrm{\πd}}\right);$

(2)将位于Y轴的接收天线单元与位于原点的接收发射天线单元所接收电磁波信号之间的相位差表示为P_Y，则使用RFID阅读器对P_Y的测量值和如下公式计算获得RFID标签的方位角β分量为：

$\mathrm{\β}=\arccos \left(\frac{\mathrm{\λ}{P}_Y}{2\mathrm{\πd}}\right);$

(3)基于天线单元具有半空间特性，则根据方位角α和β分量的测量结果在直角坐标系空间中使用如下公式唯一地确定方位角γ分量为：

$\mathrm{\γ}=\arccos \sqrt{1-{\cos }^2\mathrm{\α}-{\cos }^2\mathrm{\β}};$

(4)针对双阅读器交叉测向定位模式，将一个阅读器的天线阵列设置于原点，将另一个阅读器的天线阵列设置于X轴上，两个天线阵列相互平行且距离为D，两个天线阵列的波束方向相同，根据上述步骤分别测量计算RFID标签相对于两个阅读器的方位角并且表示为(α，β，γ)、(α'，β'，γ')，则得到标签直角坐标形式的定位结果(x，y，z)为：

$x=\frac{{\mathrm{\λP}}_{X}D\sin {\mathrm{\α}}^{\′}}{2\mathrm{\π}d\sin ({\mathrm{\α}}^{\′}-\mathrm{\α})},$

$y=\frac{{\mathrm{\λP}}_{Y}D\sin {\mathrm{\α}}^{\′}}{2\mathrm{\π}d\sin ({\mathrm{\α}}^{\′}-\mathrm{\α})},$

$z=\frac{\sqrt{{\left(2\mathrm{\πd}\right)}^2-{\left({\mathrm{\λP}}_X\right)}^2-{\left({\mathrm{\λP}}_Y\right)}^2}D\sin {\mathrm{\α}}^{\′}}{2\mathrm{\π}d\sin ({\mathrm{\α}}^{\′}-\mathrm{\α})},$

即通过双阅读器交叉测向实现了对RFID标签的无线定位；

(5)针对单阅读器测向测距定位模式，对于天线阵列位于原点的RFID阅读器，根据上述步骤测量计算得到RFID标签的方位角(α，β，γ)，阅读器再使用内部集成的RFID测距功能以获得标签到天线阵列接收发射天线单元的距离R，则得到标签直角坐标形式的定位结果(x，y，z)为：

$x=\frac{{\mathrm{\λP}}_{X}R}{2\mathrm{\πd}},$

$y=\frac{{\mathrm{\λP}}_{Y}R}{2\mathrm{\πd}},$

$z=\frac{\sqrt{{\left(2\mathrm{\πd}\right)}^2-{\left({\mathrm{\λP}}_X\right)}^2-{\left({\mathrm{\λp}}_Y\right)}^2}R}{2\mathrm{\πd}},$

即通过单阅读器测向测距实现了对RFID标签的无线定位。

本发明的方法RFID阅读器在通过测量天线单元所接收电磁波信号之间的相位差对RFID标签进行无线定位的方法中采用如下有效性判据解决测量误差所导致的无效数据问题：

(1)RFID阅读器对天线单元相位差测量数据进行多次算数平均得到所需的P_X和P_Y测量值，从而减少随机测量误差，并通过校准技术消除各个接收天线单元至阅读器的信号传输路径失配误差；

(2)使用P_X测量值计算RFID标签的方位角α分量时，如果P_X＞2πd/λ，则取P_X＝2πd/λ，如果P_X＜-2πd/λ，则取P_X＝-2πd/λ；

(3)使用P_Y测量值计算RFID标签的方位角β分量时，如果P_Y＞2πd/λ，则取P_Y＝2πd/λ，如果P_Y＜-2πd/λ，则取P_Y＝-2πd/λ；

(4)根据方位角α和β分量的测量结果在直角坐标系中计算确定方位角γ分量时，如果有cos²α+cos²β＞1，即(λP_X)²+(λP_Y)²＞(2πd)²，则取γ＝π/2，并相应地直接求解得到z＝0；

(5)针对双阅读器配置情况，测量计算RFID标签相对于两个阅读器的方位角分量α、α'时，如果有α-α'＝0，则使用单阅读器侧向测距模式进行定位。

本发明的方法RFID阅读器所采用天线阵列能分离布置发射天线单元以保证有效的收发隔离，天线单元可以扩展为全空间天线，通过增加布置多个接收天线单元和发射天线单元并调整优化其波束方向可实现对全空间工作区域的有效覆盖，天线阵列各个天线单元布置的拓扑结构可以根据应用场景进行灵活调整，阅读器数目可以扩展为两个以上进行多次交叉测向定位，也可以结合交叉测向定位和测向测距定位进行混合定位，再通过统计多次定位结果数据而进一步提高无线定位的精度。

二、基于天线阵列相位差测向射频识别的无线定位系统

本发明的系统包括RFID阅读器、射频电缆、天线阵列、RFID标签和网络服务器等子系统，RFID阅读器通过射频电缆与天线阵列的各个接收和发射天线单元相连，RFID标签与RFID阅读器以后向散射通信方式发送和接收射频电磁波信号，RFID阅读器从后向散射射频电磁波信号中获取RFID标签所存储的射频识别数据并从中提取定位测量数据信息，RFID阅读器以无线或有线方式互联接入网络服务器以进行数据交互，网络服务器负责对RFID阅读器射频识别及定位测量数据信息的计算融合处理，并控制多个RFID阅读器的协同工作。

本发明的RFID阅读器由接收模块、发射模块、多工模块、基带模块和系统控制模块组成，接收模块和发射模块分别负责后向散射射频电磁波信号的接收和发射，接收模块和发射模块通过多工模块与天线阵列的接收和发射天线单元相连接，基带模块负责产生发射模块发射信号所需的基带调制数据，并负责从接收信号中解调获得射频识别数据和各个接收天线单元所接收射频电磁波信号之间的相位差数据，再通过对相位差数据的计算处理获得测向测距等无线定位数据，系统控制模块负责控制其它各个模块的协同工作并提供无线或有线网络通信功能。

本发明与现有技术相比，采用基于天线阵列相位差测向射频识别技术进行无线定位，系统设计组成简单灵活，可以仅使用一个或两个阅读器实现基于射频识别的无线定位功能，能获得较高的无线定位精度，并可通过配置多个阅读器进行多次测向交叉定位以进一步提高定位精度，从而能为用户提供经济优质的射频识别无线定位服务应用。

附图说明

图1.是本发明的无线定位系统的组成示意图；

图2.是本发明的RFID阅读器的组成示意图；

图3.是本发明的天线阵列的组成示意图；

图4.是本发明的无线定位方法的工作过程示意图。

具体实施方式

参考所附示意图，针对使用双RFID阅读器实施基于天线阵列相位差测向射频识别的无线定位系统示例，下文对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明的无线定位系统的组成部分包括：1、RFID阅读器；2、天线阵列；3、射频电缆；4、RFID标签；5、网络服务器。系统使用两个RFID阅读器，即RFID阅读器1和RFID阅读器2，既可以进行双阅读器交叉测向定位，也可以进行单阅读器测向测距定位。系统使用两个天线阵列，即天线阵列1和天线阵列2，分别配合RFID阅读器1和RFID阅读器2工作，天线阵列通过多根射频电缆与阅读器相连以传送射频信号，这里以包含三个天线单元的天线阵列为例，其三个天线单元成直角排列，位于直角顶点的天线单元接收发射两用，另外两个天线单元只用于接收射频电磁波信号，两个天线阵列相互平行设置且分别有两个天线单元处于同一条轴线之上。上述天线阵列结构配置用以方便说明本发明，实际应用中天线阵列的相对位置关系和天线阵列内天线单元的数量及拓扑结构可以根据需要灵活调整。两个RFID阅读器采用无线或有线通信方式与网络服务器互连，网络服务器对定位数据进行融合处理并协调控制阅读器工作。

如图2所示，本发明的RFID阅读器的组成部分包括：1、多工模块；2、接收模块；3、发射模块；4基带模块；5、系统控制模块。多工模块用来将天线阵列的各个接收天线单元和发射天线单元与接收模块和发射模块相连接，其内部包括射频开关和收发双工器，射频开关用于选通需要使用的天线单元，轮流接通接收模块，从而避免设计多通道接收模块的额外成本，收发双工器用于将同一天线单元同时用作接收发射天线单元，采用定向耦合器或环形器实现。接收模块用于对接收天线单元送来的射频信号进行滤波、下变频、放大等信号调理操作，实现带外干扰噪声的滤除、射频至基带的频谱搬移、信号幅度的增强等，处理好的信号传送至基带模块。发射模块用于将基带模块送来的基带信号上变频调制到射频载波上，或者根据需要将调制功能关闭只产生射频载波信号，然后对信号进行功率放大滤波并送至发射天线单元，同时其产生的射频载波信号也送至接收模块用于下变频操作。基带模块负责产生发射模块发射信号所需的基带调制数据，也负责从接收的基带信号中解调提取射频识别数据和各个天线单元所接收射频电磁波信号之间的相位差数据，再通过计算处理获得测向测距等无线定位数据。系统控制模块控制其它各个模块的协同工作，并提供无线或有线网络通信功能以与网络服务器互连进行信息交互。

如图3所示，本发明的天线阵列由三个独立的天线单元组成，其中两个天线单元为接收天线单元，用于接收RFID标签的后向散射射频电磁波信号，另外一个天线单元为接收发射天线单元，既用来发射射频电磁波信号，也同时用来接收RFID标签的后向散射射频电磁波信号，三个天线单元成直角排列，接收发射天线单元位于直角顶点，两个接收天线单元至接收发射天线单元的距离均为d，其取值一般不大于电磁波波长的1/2，即d≤λ/2。天线单元的类型为微带天线，天线波束方向具有半空间前向辐射特性，接收天线单元与发射天线单元的收发隔离度能保证RFID阅读器具有长的工作距离。使用直角坐标系，天线阵列1的接收发射天线单元设置为原点，另外两个接收天线单元分别处于X轴和Y轴，天线阵列2与天线阵列1平行，其接收发射天线单元和一个接收天线单元设置于X轴上，接收发射天线单元到原点距离为D，其取值远大于电磁波波长λ、天线单元间距d及天线阵列的物理尺寸，两个天线阵列的波束方向均与Z轴方向相同。RFID标签相对于RFID阅读器的方位角定义为由天线阵列直角顶点至标签连线与X、Y、Z坐标轴正向之间的夹角组成，相对于RFID阅读器1、RFID阅读器2的方位角分别表示为(α，β，γ)、(α'，β'，γ')，RFID标签的直角坐标形式位置表示为(x，y，z)。

本发明的无线定位方法在定位工作区域内布置RFID阅读器及天线阵列，采用后向散射通信方式接收待定位RFID标签的射频识别数据信息，通过测量后向散射射频电磁波信号到达天线阵列的相位差获取RFID标签相对RFID阅读器的方位角测向信息，使用两个阅读器进行交叉测向定位或者结合RFID测距技术使用单阅读器进行测向测距定位，定位数据信息传送至网络服务器进行融合计算处理，从而获得RFID标签相对RFID阅读器的精确无线定位结果，参照图4所示，其具体工作过程如下：

1、系统开始无线定位操作，RFID阅读器1和RFID阅读器2分别使用各自配置的天线阵列1和天线阵列2向待定位RFID标签发射射频电磁波信号，为防止相互干扰两个阅读器采用频分、时分或码分等多址方式，RFID标签将接收到的射频电磁波信号后向散射返回到RFID阅读器天线阵列，后向散射的射频电磁波信号上携带有射频识别数据信息，天线阵列的各个天线单元所接收射频电磁波信号相位差与RFID标签相对于RFID阅读器的方位角相关，天线阵列将所接收到后向散射电磁波信号送至RFID阅读器进行RFID标签射频识别及测向测距数据的解调提取；

2、RFID阅读器将自身编号、RFID标签射频识别数据及RFID标签测向测距数据结果通过无线或有线通信方式传送至网络服务器，网络服务器根据阅读器编号和标签射频识别数据将同一RFID标签的测向测距数据进行汇总，然后根据数据有效性判据对测向数据进行预处理并选择双阅读器交叉测向定位模式或单阅读器测向测距定位模式；

3、针对双阅读器交叉测向定位，根据如下的计算公式得到RFID标签的直角坐标定位结果为：

$x=\frac{{\mathrm{\λP}}_{X}D\sin {\mathrm{\α}}^{\′}}{2\mathrm{\π}d\sin ({\mathrm{\α}}^{\′}-\mathrm{\α})},$

$y=\frac{{\mathrm{\λP}}_{Y}D\sin {\mathrm{\α}}^{\′}}{2\mathrm{\π}d\sin ({\mathrm{\α}}^{\′}-\mathrm{\α})},$

4、针对单阅读器测向测距定位，根据如下的计算公式得到RFID标签的直角坐标定位结果为：

$x=\frac{{\mathrm{\λP}}_{X}R}{2\mathrm{\πd}},$

$y=\frac{{\mathrm{\λP}}_{Y}R}{2\mathrm{\πd}},$

$z=\frac{\sqrt{{\left(2\mathrm{\πd}\right)}^2-{\left({\mathrm{\λP}}_X\right)}^2-{\left({\mathrm{\λp}}_Y\right)}^2}R}{2\mathrm{\πd}},$

5、网络服务器将RFID标签的射频识别和无线定位数据数据结果进行数据融合并存储至数据库供用户访问使用，在系统扩展配置有多个阅读器时可以进行多次交叉测向定位或者结合交叉测向定位和测向测距定位进行混合定位，网络服务器统计拟合多个定位结果数据以进一步提高定位的精度，系统完成无线定位操作。

本发明公开一种基于天线阵列相位差测向射频识别进行无线定位的方法及系统，为RFID阅读器配置包含多个接收天线单元和发射天线单元的天线阵列，通过检测多个接收天线单元所收到的RFID标签后向散射射频电磁波信号的相位差以得到对标签方位角的测向数据信息，再结合单阅读器的测距数据或多个阅读器的测向数据进行测向测距定位或交叉测向定位以获取RFID标签的物理位置数据信息，实现对RFID标签所附着目标的精确无线定位，为用户提供简单灵活、经济优质的射频识别无线定位服务。

Claims (6)

1.一种基于天线阵列相位差测向射频识别的无线定位方法，RFID阅读器使用所配置天线阵列的发射天线单元向待识别定位的RFID标签发射射频电磁波，RFID标签的天线接收电磁波以从中获取工作所需的电源能量或通过配备电池作为工作电源，RFID标签同时使用所存储的射频识别数据编码信息调制其天线的端接阻抗匹配状态以反射电磁波信信号进行电磁波的后向散射，RFID阅读器使用所配置天线阵列的各个接收天线单元接收并解调RFID标签后向散射的电磁波所携带的射频识别数据及电磁波相位参数信息，并对多个接收天线单元的相位差数据进行测量计算以获得RFID标签方位角的测向信息，再进行多RFID阅读器交叉测向定位或单RFID阅读器测向测距定位，即可获得RFID标签的坐标位置信息，实现射频识别和无线定位功能。

2.根据权利要求1所述的基于天线阵列相位差测向射频识别的无线定位方法，其特征在于：RFID阅读器所配置天线阵列的各个天线单元之间具有特定的相对位置和距离关系，各个天线单元所接收的后向散射电磁波信号之间的相位差和RFID标签相对于RFID阅读器天线阵列的方位角之间具有特定的对应关系，一个典型的天线阵列具有两个接收天线单元和一个接收发射天线单元，三个天线单元成直角排列，接收发射天线单元位于直角顶点并设置为直角坐标系原点，两个接收天线单元分别处于X轴与Y轴上，与接收发射天线单元的距离均为d，天线单元为半空间波束天线，其波束指向与Z轴方向一致，将RFID标签相对于RFID阅读器天线阵列的方位角定义为由天线阵列直角顶点至标签连线与X、Y、Z坐标轴正向之间的夹角组成，即(α，β，γ)，方位角分量α、β的取值范围为≥0且≤π，方位角分量γ的取值范围为≥0且≤π/2，RFID标签的直角坐标形式位置用(x，y，z)表示，则通过测量各个天线单元所接收电磁波信号之间的相位差对标签进行无线定位的方法包括下列步骤：

(1)将位于X轴的接收天线单元与位于原点的接收发射天线单元所接收电磁波信号之间的相位差表示为P_X，则使用RFID阅读器对P_X的测量值和如下公式计算获得RFID标签的方位角α分量为：

$\mathrm{\α}=\arccos \left(\frac{\mathrm{\λ}{P}_X}{2\mathrm{\πd}}\right);$

(2)将位于Y轴的接收天线单元与位于原点的接收发射天线单元所接收电磁波信号之间的相位差表示为P_Y，则使用RFID阅读器对P_Y的测量值和如下公式计算获得RFID标签的方位角β分量为：

$\mathrm{\β}=\arccos \left(\frac{\mathrm{\λ}{P}_Y}{2\mathrm{\πd}}\right);$

(3)基于天线单元具有半空间特性，则根据方位角α和β分量的测量结果在直角坐标系空间中使用如下公式唯一地确定方位角γ分量为：

$\mathrm{\γ}=\arccos \sqrt{1-{\cos }^2\mathrm{\α}-{\cos }^2\mathrm{\β}};$

(4)针对双阅读器交叉测向定位模式，将一个阅读器的天线阵列设置于原点，将另一个阅读器的天线阵列设置于X轴上，两个天线阵列相互平行且距离为D，两个天线阵列的波束方向相同，根据上述步骤分别测量计算RFID标签相对于两个阅读器的方位角并且表示为(α，β，γ)、(α'，β'，γ')，则得到标签直角坐标形式的定位结果(x，y，z)为：

$x=\frac{{\mathrm{\λP}}_{X}D\sin {\mathrm{\α}}^{\′}}{2\mathrm{\π}d\sin ({\mathrm{\α}}^{\′}-\mathrm{\α})},$

$y=\frac{{\mathrm{\λP}}_{Y}D\sin {\mathrm{\α}}^{\′}}{2\mathrm{\π}d\sin ({\mathrm{\α}}^{\′}-\mathrm{\α})},$

$z=\frac{\sqrt{{\left(2\mathrm{\πd}\right)}^2-{\left({\mathrm{\λP}}_X\right)}^2-{\left({\mathrm{\λP}}_Y\right)}^2}D\sin {\mathrm{\α}}^{\′}}{2\mathrm{\π}d\sin ({\mathrm{\α}}^{\′}-\mathrm{\α})},$

即通过双阅读器交叉测向实现了对RFID标签的无线定位；

(5)针对单阅读器测向测距定位模式，对于天线阵列位于原点的RFID阅读器，根据上述步骤测量计算得到RFID标签的方位角(α，β，γ)，阅读器再使用内部集成的RFID测距功能以获得标签到天线阵列接收发射天线单元的距离R，则得到标签直角坐标形式的定位结果(x，y，z)为：

$x=\frac{{\mathrm{\λP}}_{X}R}{2\mathrm{\πd}},$

$y=\frac{{\mathrm{\λP}}_{Y}R}{2\mathrm{\πd}},$

$z=\frac{\sqrt{{\left(2\mathrm{\πd}\right)}^2-{\left({\mathrm{\λP}}_X\right)}^2-{\left({\mathrm{\λp}}_Y\right)}^2}R}{2\mathrm{\πd}},$

即通过单阅读器测向测距实现了对RFID标签的无线定位。

3.根据权利要求2所述的基于天线阵列相位差测向射频识别的无线定位方法，其特征在于：RFID阅读器在通过测量天线单元所接收电磁波信号之间的相位差对RFID标签进行无线定位的方法中采用如下有效性判据解决测量误差所导致的无效数据问题：

(1)RFID阅读器对天线单元相位差测量数据进行多次算数平均得到所需的P_X和P_Y测量值，从而减少随机测量误差，并通过校准技术消除各个接收天线单元至阅读器的信号传输路径失配误差；

(2)使用P_X测量值计算RFID标签的方位角α分量时，如果P_X＞2πd/λ，则取P_X＝2πd/λ，如果P_X＜-2πd/λ，则取P_X＝-2πd/λ；

(3)使用P_Y测量值计算RFID标签的方位角β分量时，如果P_Y＞2πd/λ，则取P_Y＝2πd/λ，如果P_Y＜-2πd/λ，则取P_Y＝-2πd/λ；

(4)根据方位角α和β分量的测量结果在直角坐标系中计算确定方位角γ分量时，如果有cos²α+cos²β＞1，即(λP_X)²+(λP_Y)²＞(2πd)²，则取γ＝π/2，并相应地直接求解得到z＝0；

(5)针对双阅读器配置情况，测量计算RFID标签相对于两个阅读器的方位角分量α、α'时，如果有α-α'＝0，则使用单阅读器侧向测距模式进行定位。

4.根据权利要求3所述的基于天线阵列相位差测向射频识别的无线定位方法，其特征在于：RFID阅读器所采用天线阵列能分离布置发射天线单元以保证有效的收发隔离，天线单元可以扩展为全空间天线，通过增加布置多个接收天线单元和发射天线单元并调整优化其波束方向可实现对全空间工作区域的有效覆盖，天线阵列各个天线单元布置的拓扑结构可以根据应用场景进行灵活调整，阅读器数目可以扩展为两个以上进行多次交叉测向定位，也可以结合交叉测向定位和测向测距定位进行混合定位，再通过统计多次定位结果数据而进一步提高无线定位的精度。

5.一种基于天线阵列相位差测向射频识别的无线定位系统，包括RFID阅读器、射频电缆、天线阵列、RFID标签和网络服务器等子系统，RFID阅读器通过射频电缆与天线阵列的各个接收和发射天线单元相连，RFID标签与RFID阅读器以后向散射通信方式发送和接收射频电磁波信号，RFID阅读器从后向散射射频电磁波信号中获取RFID标签所存储的射频识别数据并从中提取定位测量数据信息，RFID阅读器以无线或有线方式互联接入网络服务器以进行数据交互，网络服务器负责对RFID阅读器射频识别及定位测量数据信息的计算融合处理，并控制多个RFID阅读器的协同工作。

6.根据权利要求5所述的基于天线阵列相位差测向射频识别的无线定位系统，其特征在于：RFID阅读器由接收模块、发射模块、多工模块、基带模块和系统控制模块组成，接收模块和发射模块分别负责后向散射射频电磁波信号的接收和发射，接收模块和发射模块通过多工模块与天线阵列的接收和发射天线单元相连接，基带模块负责产生发射模块发射信号所需的基带调制数据，并负责从接收信号中解调获得射频识别数据和各个接收天线单元所接收射频电磁波信号之间的相位差数据，再通过对相位差数据的计算处理获得测向测距等无线定位数据，系统控制模块负责控制其它各个模块的协同工作并提供无线或有线网络通信功能。