CN112911511A - 一种基于rfid和载波相位的单站室内定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)和载波相位的单站室内定位系统及方法，涉及RFID和室内定位技术领域。本发明首先利用同步跳频技术获得无源标签反射的多载波相位，并使用载波相位估计标签通信链路距离；然后在传统MUSIC算法基础上提出改进多重信号分类(Improved MUltiple SIgnal Classification，IMUSIC)算法，解决多频点信源和短距离通信入射信号不平行的问题，实现接收机内两天线同时测向；最后利用载波相位的测距结果对IMUSIC算法得到的测向结果进行筛选，并计算定位结果。本发明提供了一种有效的室内精确定位模型，结构简单，部署方便，可在大多数典型室内环境中提供定位服务。

Description

一种基于RFID和载波相位的单站室内定位系统及方法

技术领域

本发明涉及射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)和室内定位技术领域，特别是涉及一种基于RFID和载波相位的单站室内定位系统及方法。

背景技术

室内环境位置服务需求正日益提高，但室内定位技术面临很多挑战。首先，由于建筑物的遮挡，室内卫星信号质量较差，无法通过GPS等卫星系统获得准确的位置信息；其次，室内环境空间较小，无法部署占地较大的天线阵列，或是在空间受限的情况下将多个天线按照一定几何关系部署；再次，即使部署了天线阵列，由于室内通信链路较短，对于天线阵列中每个天线而言，信号入射方向有明显区别，无法像在室外环境中将每个天线的入射信号视为平行；最后，室内的定位目标可能是人或其他不方便携带电源的物体，即可能无法让定位目标携带定位所需天线。因此，需设计一种新的室内定位系统，以克服上述问题。

发明内容

本发明提出一种基于RFID和载波相位的单站室内定位系统及方法，能够在不给定位目标自身增添过多额外设备的情况下，实现室内环境中的灵活部署，且能提供准确位置信息。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明第一方面提供了一种基于RFID的单站室内定位系统；

一种基于RFID和载波相位的单站室内定位系统，包括一个RFID读写器、一个RFID标签、多个天线、三个通用软件无线电外设(Universal Software Radio Peripheral，USRP)、一个外部时钟源、一个交换机、一台数据处理终端、若干网线和若干射频线；

所述系统采用跳频技术，所述系统的接收机由两台USRP设备和两根天线组成，所述系统的跳频激励器由一台USRP设备和一根天线组成，所述系统的USRP设备通过外部时钟源实现同步，所述系统的阅读器负责与RFID标签建立通信，所述系统的数据处理终端负责控制硬件控制及后续的数据处理和定位。

可选的，所述RFID读写器型号为Impinj R420；

可选的，所述RFID标签型号为商用标签Impinj M4 H47；

可选的，所述天线型号为VERT 900全向天线；

可选的，所述USRP型号为USRP N210；

可选的，所述外部时钟源型号为OCTOCLOCK-G CDA-2990；

可选的，所述交换机型号为TL-SG1005D；

可选的，所述数据处理终端配置为i7-9700处理器、16G运行内存、以及包含了硬件控制和定位所需代码的存储设备；

本发明第二方面提供了一种基于载波相位的单站室内定位方法；

一种基于载波相位的单站室内定位方法，步骤如下：

(1)使用读写器与RFID标签建立通信；

(2)利用跳频技术获取RFID标签在多个不同中心频点载波下的反射信号，并从每个频点的反射信号中提取出对应相位；

(3)利用标签多个频点的载波相位估计标签通信链路长度，其中，由于接收机内有两根接收天线，需要分别使用两根天线各自接收的标签多载波相位数据进行通信链路测距，得到两根天线各自的测距结果；

(4)利用改进多重信号分类(Improved MUltiple SIgnal Classification，IMUSIC)算法实现接收机内两天线同时测向，得到两天线各自的信号入射方向；

(5)利用所述步骤(3)中得到的测距结果，对所述步骤(4)得到的测向结果进行筛选，最终获得定位结果。

进一步地，在所述步骤(4)中，IMUSIC算法的具体步骤为：

首先，传统MUSIC算法认为信源中心频点不变，为适应多频点的跳频系统，需要把传统MUSIC算法中的方向响应向量拓展为方向响应矩阵；

其次，传统MUSIC算法认为到达天线阵列的入射信号是平行的，即天线阵列内所有天线的信号入射方向相同，在室内场景，由于通信链路较短，天线阵列中每个天线的信号入射方向有明显差异，需改进传统MUSIC算法的信号入射方向检索方式；

最后，利用传统MUSIC算法提取出的噪声矩阵进行方向检索，实现天线阵列内多个天线同步测向。

本发明的有益效果：

(1)本发明的单个接收机站点内只有两根全向天线，系统结构简单，部署方便、灵活，适用于大部分典型室内环境；

(2)本发明借助RFID技术优势，只用在待定位目标上附着成本极低的RFID标签即可实现定位，待定位目标不需要携带其他设备；

(3)本发明的定位方法中，IMUSIC算法考虑了短距离通信链路时的信号入射非平行情况，实现双天线同步测向，能获得双天线各自的信号入射方向，进一步提高了定位精度。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

图2是载波相位测距示意图。

图3是IMUSIC算法示意图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图对本发明做出进一步的详细说明。所述实施例只是本发明实施例之一，并不是全部实施例。

本发明提供了一种基于RFID和载波相位的单站室内定位系统及方法，系统结构如图1所示。在本实施例中，图中的读写器使用Impinj R420，Tag代表FRID标签，使用ImpinjM4 H47，跳频激励器使用一台USRP N210，接收机使用两台USRP N210，交换机使用TL-SG1005D，定位服务器代表数据处理终端，配置为16G运行内存和i7-9700处理器，另使用一台外部时钟源实，型号为0CTOCLOCK-G CDA-2990。

在使用本发明时，需将Tag附着在待定目标表面，随后启动读写器与Tag建立通信，定位服务器会利用外部时钟源实现跳频激励器和接收机的同步跳频，在本实施例中，跳频频段为830MHz到960MHz，跳频频率间隔为10M，跳频时间间隔为100ms，交换机会将接收机接收到的信号转送至定位服务器，定位服务器除了控制所述相关设备外，还负责定位算法的实现。

定位算法实现的详细步骤如下：

步骤一：为实现定位，首先要利用载波相位对接收机内双天线各自实现链路测距。令接收机内接收天线i接收到的Tag在频点f载波下的反射信号相位为

再令该载波在Tag通信链路中共经历N_f个整周，频率f对应的波长为λ_f，那么接收天线i对应的链路距离L_i为：

对于每个载波而言，在一次跳频过程中，L_i保持不变，本实施例中共有F＝14个频点，结合式(1)，可得到如下载波相位与链路距离的观测方程组：

在图2中，将每个载波的整周数从1开始迭代，结合式(2)计算所有载波在不同整周数下的距离结果，令共检索M个整周，将频率f的载波第m个整周计算得到的距离值记为L_f，m，汇总成如下矩阵：

又因在一次跳频过程中，L_i为所有载波真正的链路传播距离，所以，在检索过程中，每个载波的检索结果集中都会包含L_i，反应在图2里，就是用虚线标出的那一组检索距离值；反应在式(3)里，就是矩阵D中方差最小的一组距离值组合，将该组距离值遍历出来再取均值，便得到接收机内第i个接收天线的链路距离。

步骤二：对传统MUSIC算法做出改进，以适用于本发明的跳频系统，以及室内短距离通信链路环境。由于传统MUSIC算法认为信源中心频点不变、每个接收天线的信号入射方向相同，所以其方向响应向量T是由固定波长λ和一个角度θ组成：

其中，I表示有I根接收天线。

为适应本发明的跳频系统，需要将固定波长λ拓展成多个波长，此时方向响应向量T会变成方向响应矩阵R：

R_i，f＝exp[-j2π(i-1)dsinθ/λ_f]

随后，考虑近距离通信信号来波不平行的情况。结合图3，其中v代表信源到天线阵列的垂直距离，由于本发明中天线阵列在同一水平线上，所以v为唯一值，且v与接收天线各自夹角的关系可以表示为：

其中，d表示天线间间距，另外，接收天线间的链路差Δd可表示为：

进一步地，将式将式(6)代入式(7)，Δd可表示为：

结合式(8)与式(4)，方向响应向量T可以改用多角度表示：

(·)^T表示矩阵的转置操作。

最后结合式(5)中的多频点情况，得到最终的方向响应矩阵R：

利用传统MUSIC算法提取出的噪声矩阵N，可实现多角度检索：

计算U特征值并将其提取为特征值向量，记作Q：

E为(F*F)阶单位矩阵，进一步计算：

Eva＝1/|(QQ^T)| (13)

若式(9)中出现某一种角度组合使得式(13)中Eva值最大，便认为该组角度组合是接收机中各个天线各自的测向结果。

步骤三：利用载波相位测距结果和IMUSIC测向结果实现定位。由于本实施例系统的接收机采用双天线，在所述步骤二中参与多角度检索的角度只有两个，根据式(8)，得到的测向结果会是一组双角度组合，这些组合都会得到使式(13)中Eva值最大的Δd，所以需要测距结果进行筛选，并完成定位。

设IMUSIC算法得到K组测向结果，令第k组结果的天线1角度、天线2角度以及式(6)中用这两个角度计算出的垂直距离v记录格式为(θ_1，k，θ_2，k，v_k)，则该组数据的误差e_k表示为：

e_k＝|(L₁-v_k/sinθ_1，k-G_1，k)|+|(L₂-v_k/sinθ_2，k-G_2，k)| (14)

其中，G_i，k表示用第k组数据计算得到的接收天线i对应通信链路中，跳频激励器到Tag的链路距离，L_i表示接收天线i的步骤一测距结果。由于跳频激励器位置和接收机位置已知，设接收机中接收天线_i的坐标为(x_i，y_i)，跳频激励器的坐标为(x_t，y_t)，按照图3所示坐标系，以接收天线1为例，G_1，k的计算方式为：

G_1，k ²＝(y_t-(y₁-v_k/tanθ_1，k))²+(x_t-v_k)² (15)

遍历K组数据，筛选出使e_k达到最小的一组数据，并用该组数据进行Tag定位。

设最小误差为e_min，令Tag坐标表示为(x_tag，y_tag)，则Tag坐标计算公式如下：

到此，实现对目标Tag的定位。

以上所述的实施例仅仅只是本发明较为优选的实施例，并不是用于限制本发明，本发明的保护范围也并不以上述实施例为限，对于相同领域的技术人员而言，所有根据本发明公开内容做出的等效替换、修改、修饰等，都应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于RFID和载波相位的单站室内定位系统，其特征在于系统包括一个RFID读写器、一个RFID无源标签、多个天线、三个通用软件无线电外设(Universal Software RadioPeripheral，USRP)、一个外部时钟源、一个交换机、一台数据处理终端、若干网线和若干射频线，系统采用跳频技术，接收机由两台USRP设备和两根天线组成，跳频激励器由一台USRP设备和一根天线组成，系统的USRP设备通过外部时钟源实现同步，系统的阅读器负责与RFID标签建立通信，系统的数据处理终端负责控制硬件控制及后续的数据处理和定位，系统能够在不给定位目标自身增添过多额外设备的情况下，实现室内环境中的灵活部署，且能提供准确位置信息。

2.一种基于RFID和载波相位的单站室内定位方法，其特征在于包含以下步骤：

(1)使用读写器与RFID标签建立通信；

(2)利用跳频技术获取RFID无源标签在多个不同中心频点载波下的反射信号，并从每个频点的反射信号中提取出对应相位；

(3)利用无源标签多个频点的载波相位估计标签通信链路长度，其中，由于接收机内有两根接收天线，需要分别使用两根天线各自接收的标签多载波相位数据进行通信链路测距，得到两根天线各自的测距结果；

(4)利用改进多重信号分类(Improved MUltiple SIgnal Classification，IMUSIC)算法实现接收机内两天线同时测向，得到两天线各自的信号入射方向；

(5)利用所述步骤(3)中得到的测距结果，对所述步骤(4)得到的测向结果进行筛选，最终获得定位结果。

3.根据权利要求2所述的一种基于RFID和载波相位的单站室内定位方法，其特征在于步骤(3)中，令接收机内接收天线i接收到的Tag在频点f载波下的反射信号相位为

再令该载波在Tag通信链路中共经历N_f个整周，频率f对应的波长为λ_f，那么接收天线i对应的链路距离L_i为：

对于每个载波而言，在一次跳频过程中，L_i保持不变，本实施例中共有F个频点，结合式(1)，可得到如下载波相位与链路距离的观测方程组：

将每个载波的整周数从1开始迭代，结合式(2)计算所有载波在不同整周数下的距离结果，令共检索M个整周，将频率f的载波第m个整周计算得到的距离值记为L_f,m，汇总成如下矩阵：

又因在一次跳频过程中，L_i为所有载波真正的链路传播距离，所以，在检索过程中，每个载波的检索结果集中都会包含L_i，反应在式3里，就是矩阵D中方差最小的一组距离值组合，将该组距离值遍历出来再取均值，便得到接收机内第i个接收天线的链路距离。

4.根据权利要求2所述的一种基于RFID和载波相位的单站室内定位方法，其特征在于步骤(4)中，IMUSIC对于传统MUSIC算法的改进。由于传统MUSIC算法认为信源中心频点不变、每个接收天线的信号入射方向相同，所以其方向响应向量T是由固定波长λ和一个角度θ组成：

其中，I表示有I根接收天线。

为适应本发明的跳频系统，需要将固定波长λ拓展成多个波长，此时方向响应向量T会变成方向响应矩阵R：

随后，考虑近距离通信信号来波不平行的情况。令v代表信源到天线阵列的垂直距离，由于本发明中天线阵列在同一水平线上，所以v为唯一值，且v与接收天线各自夹角的关系可以表示为：

其中，d表示天线间间距，另外，接收天线间的链路差Δd可表示为：

进一步地，将式将式(6)代入式(7)，Δd可表示为：

结合式(8)与式(4)，方向响应向量T可以改用多角度表示：

(·)^T表示矩阵的转置操作。

最后结合式(5)中的多频点情况，得到最终的方向响应矩阵R：

利用传统MUSIC算法提取出的噪声矩阵N，可实现多角度检索：

计算U特征值并将其提取为特征值向量，记作Q：

E为(F*F)阶单位矩阵，进一步计算：

Eva＝1/|(QQ^T)| (13)

若式(9)中出现某一种角度组合使得式(13)中Eva值最大，便认为该组角度组合是接收机中各个天线各自的测向结果。

5.根据权利要求2所述的一种基于RFID和载波相位的单站室内定位方法，其特征在于步骤(5)中，利用载波相位测距结果和IMUSIC测向结果实现定位。由于系统的接收机采用双天线，参与IMUSIC算法检索的角度只有两个，根据式(8)，得到的测向结果会是一组双角度组合，这些组合都会得到使式13中Eva值最大的Δd，所以需要测距结果进行筛选，并完成定位。

设IMUSIC算法得到K组测向结果，令第k组结果的天线1角度、天线2角度以及式6中用这两个角度计算出的垂直距离v记录格式为(θ_1，k，θ_2，k，v_k)，则该组数据的误差e_k表示为：

e_k＝|(L₁-v_k/sinθ_1,k-G_1,k)|+|(L₂-v_k/sinθ_2,k-G_2,k)| (14)

其中，G_i，k表示用第k组数据计算得到的接收天线i对应通信链路中，跳频激励器到Tag的链路距离，L_i表示接收天线i的步骤一测距结果。由于跳频激励器位置和接收机位置已知，设接收机中接收天线i的坐标为(x_i，y_i)，跳频激励器的坐标为(x_t，y_t)，以接收天线1为例，G_1，k的计算方式为：

G_1,k ²＝(y_t-(y₁-v_k/tanθ_1,k))²+(x_t-v_k)² (15)

遍历K组数据，筛选出使e_k达到最小的一组数据，并用该组数据进行Tag定位。

设最小误差为e_min，令Tag坐标表示为(x_tag，y_tag)，则Tag坐标计算公式如下：

到此，实现对目标Tag的定位。

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