專利名稱：一種基于時間差測量的天線切換式射頻定位方法
技術領域：
本發明屬于RFID技術領域，特別涉及一種基于時間間隔測量技術的射頻定位方法。
背景技術：
射頻識別技術(Radio Frequency Identification, RFID)采用電磁波或磁場f禹合的方式進行數據的傳輸，因此其最重要的特征就是非接觸式識別。與其他接觸式自動識別技術相比，射頻識別技術具有很多優點，比如識別距離遠、讀取速率高、存儲空間大、外形多
樣、可重復使用等等。
典型的射頻識別系統主要由主機、讀寫器和射頻標簽三部分構成。主機通過數字接口實現對讀寫器的控制和數據的交換處理，為用戶提供有效的信息。讀寫器是訪問標簽數據的設備，主要由天線、射頻模塊和基頻模塊構成。射頻標簽則由標簽芯片和天線構成，被識別物體的信息存儲在標簽芯片中。當然，由于應用的要求不盡相同，射頻識別系統的結構也是多樣的。本發明將射頻識別技術用于無線定位系統。無線定位技術是通過特定的算法對接收到的電磁波的某些參數進行處理，以此來推斷待測對象的位置。目前，在無線網絡環境下進行定位服務的定位模式有信號強度法、收信角度法、收信時間、收信時間差等4種。其中信號強度法(Received Signal Strength, RSS)定位技術有兩種方法信號傳播模型定位和經驗定位。其中信號傳播模型定位方法必須結合具體的實際應用環境構建信號傳播損失模型，只有這樣，才能通過信號強度的衰減來判斷待測物體與讀寫器之間的距離。由于無線電在室內傳播會呈現出多重路徑干擾衰減以及屏蔽效應，這些因素會造成接收信號強度與自由真空中傳播結果的很大差異，從而使預估的傳播距離產生誤差，這樣的話，待測物體的預估位置就不會與前面的計算交于一點，而會落在一個預估區域內；經驗定位是在讀寫器工作的區域內取一些關鍵的位置作為目標標簽的參考位置點，并事先將參考點的位置信息和信號強度信息存儲在后臺系統，這樣將目標標簽的返回信號強度信息與存儲信息比對，就可以確定目標標簽位置，該方法所需時間成本高，前期需要較長的經驗積累，后期需要搜索數據庫，定位精度很大程度上取決于靜態參考點的位置和數目。收信角度法(Angle of Arrival, A0A)定位技術的工作原理是利用具有方向性的天線或天線陣列來判斷主動式標簽信號可能的來源方向。該方法定位精度較高，但是由于需要昂貴的接收天線陣列，因此系統部署成本較高。在室內阻擋物較多和非視距影響的情況下，方向測量誤差較大。收信時間(Time of Arrival, T0A)定位技術采用幾何原理,這與信號強度法的幾何原理是相同的，唯一不同點是決定圓的半徑的參數不是信號強度，而是信號的傳播時間。將信號傳播時間乘以傳播速度，就可以得到主動式標簽到讀取器之間的距離。TOA對于時間的敏感度很高，必須十分準確地測量信號實際的傳播時間。收信時間差(Time Difference of Arrival,TD0A)定位技術通過測量信號從兩個基站傳播到使用者的時間差以雙曲線定位的原理來進行定位。該方法測量出信號到達兩個基站的時間差，每兩個基站得到一個測量值，從而形成一個雙曲線定位區。這樣，三個基站就會得到兩個雙曲線定位區，通過求解它們的交界點就可以得到使用者的確切位置。TDOA是對TOA的改進，它要求所有參與工作的讀寫器在時間上要有嚴格的同步，否則無法完成對目標的跟蹤定位。本發明采用讀寫器而非標簽作為定位的主動方，將讀寫器端的天線組中的天線分散排布在空間中，保證在測量范圍內無論標簽在什么位置都能被至少四個天線的場區所覆蓋。主機中內設時間間隔測量模塊，用來測量從系統的各個天線發送信號到接收到標簽返回信號的時間差，然后將數據發往主機其它單元，將兩兩時間差比較，得到相對時間差，換算成距離差之后通過雙曲面定位算法確定標簽的位置。

發明內容
本發明的目的在于提供一種低成本同時也具有一定精確性的定位方法。本發明通 過測量讀寫器天線組中的每個定位天線從發出信號到接收到來自同一標簽的返回信號(定位信號)的時間間隔，將接入不同定位天線時測得的時間間隔處理得到相對傳輸時間差，并由此計算標簽到不同定位天線的距離差，然后以定位天線為坐標，經過雙曲面迭代算法解出標簽的具體位置坐標。本發明的特征在于依次含有以下步驟步驟(I):構建一個基于時間差測量的天線切換式射頻定位系統定位方包括一個含有設定個數定位天線的天線組、一個天線切換控制單元、讀寫器和主機，其中多個定位天線，分散排布在空間中，所述定位天線的數量和排布方式必須保證在測量范圍內無論射頻標簽在什么位置均同時能被至少四個天線的場區所覆蓋，天線切換控制單元，每次切換接入一個所述定位天線，讀寫器由基頻模塊、射頻模塊和功率放大模塊依次串接而成，所述功率放大模塊輸出的射頻信號通過所述天線切換控制單元后由一個被選通的所述定位天線發出，主機，設有天線切換控制信號輸出端，與所述天線切換控制單元的天線控制信號輸入端相連，還設有與讀寫器通信的接口，包括讀寫器控制信號的輸出端和讀寫器啟動、終止時間間隔測量的信號輸入端，在所述主機內預先設有以所述讀寫器為原點的、全部的經過所述主機排序的各個所述定位天線的坐標信息，以及預先測出并存儲的因所述讀寫器與所述各定位天線的連接電纜長度不同而引起的時差，還預置有時間間隔測量模塊，以測量從所述讀寫器發出的定位信號到接收來自射頻標簽的返回信號的時間間隔，被定位方，是空間中各個經主機排序的射頻標簽中被喚醒的一個，各所述射頻標簽均由射頻天線和標簽芯片依次連接而成，所述標簽芯片在接收到讀寫器信號后能即刻產生接收觸發信號，經過固定延遲后發送應答信號給讀寫器，該固定延遲時間經預先設置用以保證大于標簽反應時間和解碼時間，不影響正常通信過程；步驟(2):所述基于時間差測量的天線切換式射頻定位系統依次按以下步驟對所述射頻標簽進行無線定位步驟(2. I):主機錄入所述定位天線分布的坐標信息和所述由電纜引起的信號延遲時差，步驟(2. 2):主機激活讀寫器，讀寫器通過天線切換單元和定位天線發送信號，順序喚醒所述待定位的射頻標簽，步驟(2. 3):主機向所述天線切換控制單元發出定位天線切換控制信號，選定某定位天線，所述天線切換控制單元在每次定位天線切換完成后向所述主機發出應答信號，步驟(2. 4):主機向所述讀寫器發出定位控制信號，所述讀寫器據此通過所述天線切換控制單元選中的定位天線發送定位信號，所述讀寫器同時向主機中的時間測量模塊發送時間間隔測量啟動信號，步驟(2. 5):所述標簽的射頻芯片通過所述射頻天線接收到定位信號后即刻產生接收觸發信號，經過固定延時后通過所述射頻天線向所述讀寫器發送返回信號，步驟(2. 6):所述讀寫器通過選定的定位天線接收到來自射頻標簽發出的返回信號后，立即向所述主機中的時間間隔測量模塊發送停止測量信號，步驟(2. 7):讀寫器對收到的所述射頻標簽發出的返回信號進行解碼，如果返回信號正確，則該次測量的時差數據有效，存儲后返回步驟(2. 3)，選擇下一個定位天線，在完成設定次數測量后執行步驟(2. 8)，如果返回信號不正確，則該次測量的數據無效，直接返回步驟(2. 3),選擇下一個定位天線，步驟(2. 8):主機按以下步驟確定被定位的一個射頻標簽的位置步驟(2. 8. I):從測量得到的所述讀寫器發出定位信號到讀寫器接收到來自所述射頻標簽的返回信號的時間間隔中減去預先測得的連接電纜引起的所述延遲時間，選擇不同天線時計算得到的上述結果分別為h、t2、t3、t^tn，其中n為場區能夠覆蓋所述標簽位置的定位天線的數量，n ^ 4，其兩兩比較后相減的差值即為選定不同定位天線時電磁波在空間中傳播的時間差Δ ρ Δ t2> Δ t3> At4…Atlri,按下式計算被選定的射頻標簽到達先
后選通的兩個不同定位天線的距離差Adx Ad =Ca ，其中~為電磁波在空氣中的傳
播速度，
權利要求
1.一種基于時間差測量的天線切換式射頻定位方法，其特征在于，依次含有以下步驟，步驟(I) 構建一個基于時間差測量的天線切換式射頻定位系統定位方包括一個含有設定個數定位天線的天線組、一個天線切換控制單元、讀寫器和主機， 其中多個定位天線，分散排布在空間中，所述定位天線的數量和排布方式必須保證在測量范圍內無論射頻標簽在什么位置均同時能被至少四個天線的場區所覆蓋， 天線切換控制單元，每次切換接入一個所述定位天線， 讀寫器由基頻模塊、射頻模塊和功率放大模塊依次串接而成，所述功率放大模塊輸出的射頻信號通過所述天線切換控制單元后由一個被選通的所述定位天線發出， 主機，設有天線切換控制信號輸出端，與所述天線切換控制單元的天線控制信號輸入端相連，還設有與讀寫器通信的接口，包括讀寫器控制信號的輸出端和讀寫器啟動、終止時 間間隔測量的信號輸入端，在所述主機內預先設有以所述讀寫器為原點的、全部的經過所述主機排序的各個所述定位天線的坐標信息，以及預先測出并存儲的因所述讀寫器與所述各定位天線的連接電纜長度不同而引起的時差，還預置有 時間間隔測量模塊，以測量從所述讀寫器發出的定位信號到接收來自射頻標簽的返回信號的時間間隔， 被定位方，是空間中各個經主機排序的射頻標簽中被喚醒的一個，各所述射頻標簽均由射頻天線和標簽芯片依次連接而成，所述標簽芯片在接收到讀寫器信號后能即刻產生接收觸發信號，經過固定延遲后發送應答信號給讀寫器，該固定延遲時間經預先設置用以保證大于標簽反應時間和解碼時間，不影響正常通信過程； 步驟(2) 所述基于時間差測量的天線切換式射頻定位系統依次按以下步驟對所述射頻標簽進行無線定位 步驟(2. I):主機錄入所述定位天線分布的坐標信息和所述由電纜引起的信號延遲時差， 步驟(2. 2):主機激活讀寫器，讀寫器通過天線切換單元和定位天線發送信號，順序喚醒所述待定位的射頻標簽， 步驟(2. 3):主機向所述天線切換控制單元發出定位天線切換控制信號，選定某定位天線，所述天線切換控制單元在每次定位天線切換完成后向所述主機發出應答信號， 步驟(2. 4):主機向所述讀寫器發出定位控制信號，所述讀寫器據此通過所述天線切換控制單元選中的定位天線發送定位信號，所述讀寫器同時向主機中的時間測量模塊發送時間間隔測量啟動信號， 步驟(2. 5):所述標簽的射頻芯片通過所述射頻天線接收到定位信號后即刻產生接收觸發信號，經過固定延時后通過所述射頻天線向所述讀寫器發送返回信號， 步驟(2. 6):所述讀寫器通過選定的定位天線接收到來自射頻標簽發出的返回信號后，立即向所述主機中的時間間隔測量模塊發送停止測量信號， 步驟(2. 7):讀寫器對收到的所述射頻標簽發出的返回信號進行解碼，如果返回信號正確，則該次測量的時差數據有效，存儲后返回步驟(2. 3)，選擇下一個定位天線，在完成設定次數測量后執行步驟(2. 8)，如果返回信號不正確，則該次測量的數據無效，直接返回步驟(2. 3)，選擇下一個定位天線， 步驟(2. 8):主機按以下步驟確定被定位的一個射頻標簽的位置 步驟(2. 8. I):從測量得到的所述讀寫器發出定位信號到讀寫器接收到來自所述射頻標簽的返回信號的時間間隔中減去預先測得的連接電纜引起的所述延遲時間，選擇不同天線時計算得到的上述結果分別為h
全文摘要
一種基于時間差測量的天線切換式射頻定位方法，屬于射頻定位技術領域，其特征在于，以讀寫器所處位置為坐標原點，將天線組中的定位天線分布在空間中，并將其坐標信息錄入主機。通過天線切換控制單元切換接入不同定位天線并測量從讀寫器發出信號到標簽返回的信息被讀寫器所接收的時間間隔。測量數據在主機處經過處理得到在接入不同定位天線時電磁波在空間傳播的時間差，通過時間差得到標簽到達對應的兩個不同天線的距離差，進而列出多組雙曲面方程，將多組方程經過迭代計算即可得到標簽的位置坐標。
文檔編號G06K17/00GK102892140SQ20121036987
公開日2013年1月23日 申請日期2012年9月27日 優先權日2012年9月27日
發明者張春, 彭琪, 李佐昭, 王志華 申請人:清華大學