一种基于rfid与相位校准的定位方法
阅读说明：本技术 一种基于rfid与相位校准的定位方法 (Positioning method based on RFID and phase calibration ) 是由 马永涛 刘涵凯 于 2019-11-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于RFID与相位校准的定位方法,包括标签数据采集阶段、像素数据库建立阶段和匹配定位阶段,其中,匹配定位阶段阶段,包括以下步骤：建立相位中心偏移库；将相位校准技术加入定位过程中,建立匹配函数,定位问题转化为寻找使<Image he="61" wi="90" file="DDA0002273572280000011.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>最大的网格点<Image he="66" wi="66" file="DDA0002273572280000012.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>(The invention discloses a positioning method based on RFID and phase calibration, which comprises a label data acquisition stage, a pixel database establishment stage and a matching positioning stage, wherein the matching positioning stage comprises the following steps: establishing a phase center offset library; the phase calibration technology is added into the positioning process, a matching function is established, and the positioning problem is converted into a search result Maximum grid point)
技术领域
本发明属于RFID定位技术领域，针对利用沿已知轨迹移动的阅读器天线获得的标签相位和相位校准技术来对标签进行定位问题。
背景技术
随着移动互联网和智能手机的普及，基于位置的服务(Location Based Service,LBS)得到了广泛的关注，带动了各种现代导航定位技术的发展。众所周知的室外定位技术GPS由于建筑物的遮挡等原因GPS系统不能够应用于室内定位。近年来出现了很多基于无线网络的室内定位技术，如WiFi定位、蓝牙定位、ZigBee定位和RFID定位等。而物联网技术的飞速发展使得RFID技术开始广泛应用于生产、物流及药品等的定位、追踪与回溯。在室内定位方面，RFID相比于其他定位方法除了具有低成本、定位精度高、识别速度快和抗干扰强等特点，还有非接触、非视距以及可以对多目标同时进行识别跟踪的优点，这使其逐渐成为室内定位的首选。
RFID的无线定位技术主要分为两种：一种是基于非测距方法，通常不需要确定的信号传播模型，在定位区域中预先布置大量参考标签，经过某种运算后筛选出位置相近的参考标签，用它们去确定最终定位坐标；另一种是基于测距的方法，根据信号传播模型确定人与多个无线点装置之间的距离，通过几何关系变换确定人员位置。基于测距的方法主要包括：AOA(Angle of Arrival)信号到达角度法、TOA(Time of Arrival)信号到达时间法、TDOA(Time Difference of Arrival)信号到达时间差法和RSSI(Received SignalStrength Indication)接收信号强度法。RSSI定位法通过信号强度与距离建立传播模型来估计接收的标签，这种方法功率低，成本低，无需额外的设备功能支持，然而信号能量信息在传播过程中除了距离因素还受非视距、多径等其他多种因素影响，导致其定位精度受限。TOA和TDOA定位法主要通过测量电磁波的传播时间来计算距离，这种方法对于硬件设施的时钟同步有要求或者需要精确的参考时间。AOA定位法主要通过阅读器的天线阵列来测量标签信号的到达方向，这种方法需要功能特殊的天线阵列，准确度受限于设备性能，成本也相对较高。
而在标签与阅读器存在相对移动的场景中，合成孔径技术可以利用天线与目标之间的相对移动形成虚拟天线阵列，通过多个采样相位值的相干叠加来确定目标位置，从而具有良好的抗噪声和多径干扰的能力，能够提高定位精度。并且适用于手持式设备等独特的动态应用场景，也不需要额外布置参考标签和费时的校准阶段。同时成本相对较低，仅用商用设备就可以实现定位。
现有的RFID定位方法通常将天线相位中心视为常数。当天线和标签固定时，这是可行的。但是，在SARRFID中，读取器天线和标签的相对运动会改变信号的到达角，从而导致天线相位中心的变化，我们将其称为相位重心偏移(PCS)。PCS将影响观察到的相位并引起定位错误。因此本发明提出了一种基于RFID与相位校准的定位方法。
发明内容
本发明涉及一种基于RFID与相位校准的定位方法，利用合成孔径技术来辅助采集标签信息数据，采用基于相位和幅度数据的方法进行匹配定位。本发明通过沿已知轨迹移动的阅读器天线来获得在不同天线位置对应标签的相位和幅度数据，通过相位和幅度数据模型来建立像素数据库，通过计算标签测量向量与像素点数据向量的相似度来进行标签的高精度匹配定位。本发明不依赖于额外的设备与参考标签，只需要一个移动的阅读器天线就可以在待定位区域中获取标签的位置，可以实现毫米级的定位精度。本发明的技术方案如下：
一种基于RFID与相位校准的定位方法，包括标签数据采集阶段、像素数据库建立阶段和匹配定位阶段，其中，
标签数据采集阶段，包括以下步骤：
1)通过移动的阅读器天线对标签所在的待定位区域进行数据采集：阅读器天线沿已知的轨迹移动并采集多次标签的反向散射信号数据，共采集N个位置的标签数据，设当阅读器天线移动到第n个，1≤n≤N，位置时，阅读器天线采集到的标签反向散射信号的相位为δn，则采集到的相位序列Θ为：
Θ＝{δ1，...，δN}
同时采集到与相位序列一一对应的时间序列
像素数据库建立阶段，包括以下步骤：
1)将定位区域划分为等间隔的网格，对于每个网格点利用时间序列
其中
2)将天线的位置设为pa，计算位置序列中每个位置到天线的距离，得到虚拟距离序列
其中，
其中||·||为范数符号；
3)通过虚拟距离序列
其中，
其中f为信号主频率，c为光速；
匹配定位阶段阶段中，包括以下步骤：
1)建立相位中心偏移库：计算每个虚拟位置p与天线位置pa，m之间的信号的到达角
2)将相位校准技术加入定位过程中，建立匹配函数：
其中M为天线个数，∑为求和符号，exp为自然对数的幂函数，并且其中
3)定位问题转化为寻找使
本发明是一种基于RFID与相位校准的定位方法，首先采用合成孔径技术，通过沿已知轨迹移动的阅读器天线每隔一定空间间隔在不同的位置采集标签的相位和幅度数据的方法进行匹配定位，然后基于相位和幅度数据模型来建立待定位区域的像素数据库，最后计算标签测量向量与像素点数据向量的相似度来进行匹配定位，选取相似度最高的像素点，其位置即对应标签信息。与传统的RFID标签定位方法相比，能够更加的适用传送带以及手持设备等动态场景，并且具有良好的抗多径干扰能力。而且本发明不需要额外的参考标签与耗时的校准阶段，只需要一个移动的阅读器天线就可以进行标签的高精度定位。现有的RFID定位方法通常将天线相位中心视为常数。当天线和标签固定时，这是可行的。但是，在SAR RFID中，读取器天线和标签的相对运动会改变信号的到达角，从而导致天线相位中心的变化，我们将其称为相位重心偏移(PCS)。PCS将影响观察到的相位并引起定位错误。因此本发明提出了一种基于RFID与相位校准的定位方法。
附图说明
图1为定位场景。
图2为相位中心偏移。
图3为定位结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种基于RFID与相位校准的定位方法做进一步的描述。
基于合成孔径技术的标签定位场景如图1所示。在标签数据采集阶段，建立一个4m×4m的待定位场景，阅读器天线的移动轨迹沿X轴为一条直线，位于待定位区域边界20cm，总长度为4m，每移动4cm的空间间隔来采集标签的测量数据，因此在阅读器工作频率为867.5MHz，对应波长为34.6cm，天线在移动期间共采集100(N＝100)个读数。像素数据库建立阶段中待定位区域像素点间距可以设定为5cm，若是希望得到更高的定位精度，可以将像素点设置的更为密集。
本发明的定位方法根据采集的标签测量数据实时地估计其位置，算法流程如图2所示，步骤如下：
1)通过移动的阅读器天线对标签所在的待定位区域进行数据采集。阅读器天线沿已知的轨迹移动并采集多次标签的反向散射信号数据，共采集N个位置的标签数据。设当阅读器天线移动到第n个(1≤n≤N)位置时，阅读器天线采集到的标签反向散射信号的相位为δn，则采集到的相位序列Θ为：
Θ＝{δl，...，δN}
同时可以采集到与相位序列一一对应的时间序列
2)将定位区域划分为等间隔的网格，对于每个网格点
其中
3)将天线的位置设为pa，计算位置序列
其中，
其中||·||为范数符号。
4)通过虚拟距离序列可以计算出虚拟相位序列：
其中，
其中f为信号主频率，c为光速。
5)建立相位中心偏移库。计算每个虚拟位置p与天线位置pa，m之间的信号的到达角
6)将相位校准技术加入定位过程中，建立匹配函数：
其中M为天线个数。∑为求和符号。exp为自然对数的幂函数，并且其中
7)此时，定位问题转化为寻找使最大的网格点
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