[发明专利]一种适于定向辐射场景的无源UHF RFID定位精度的评价方法

摘要

本发明属于移动通信技术领域，涉及一种适于定向辐射场景的无源UHF RFID(Ultra High Frequency Radio Frequency Identification，超高频射频识别)定位精度评价方法。步骤为：依据偶极子天线和微带天线的增益特性，以及标签和阅读器的摆放位置，分别以天线质心为原点建立其在空间直角坐标系下的增益模型；将标签和阅读器放入同一直角坐标系中，根据弗里斯传输公式得到阅读器收信功率；围绕系统中各阅读器接收功率构建观测向量，利用收信功率似然函数建立费歇尔信息矩阵，从而得到无偏估计条件下的标签定位误差的克拉美罗下界，并以此来反映和评价定位精度。本发明很大程度上克服了标签漏读问题，能够满足用户对无源超高频UHF RFID定位系统的定位精度精确评价的要求。

主权项

一种适于定向辐射场景的无源超高频RFID定位精度的评价方法，其具体步骤如下：步骤1：以无源标签天线选用偶极子天线和阅读器天线选用传统微带天线为建模条件，建立适于无源UHF RFID定位的定向辐射场景；步骤2：选取空间直角坐标系，确立无源标签天线的分立辐射增益模型：在上述分立辐射增益模型中，标签天线垂直于XOY面，天线的质心处于原点OT上，OT与空间中一点A构成射线矢量θT为Z轴到射线矢量的到角，φT为射线矢量在XOY面上投影后X轴到该投影的到角；步骤3：选取空间直角坐标系，确立阅读器天线的分立辐射增益模型：在上述分立辐射增益模型中，最大辐射强度方向是天线面板的法线方向，阅读器天线处于YOZ面，天线质心处于原点OR上，且天线法线方向与X轴正向重合，OR与空间中一点A构成射线矢量θR为Z轴到射线矢量的到角，φR为射线矢量在XOY面上投影后X轴到该投影的到角；步骤4：针对步骤1中的定向辐射场景，将阅读器和标签同时放入同一空间直角坐标系中，对步骤(2)和步骤(3)中的分立辐射增益模型进行更新修正；步骤5：以标签天线坐标(x，y，z)表示标签空间位置，将标签置于XOY面且平行于X轴，令阅读器天线坐标为(xi，yi，zi)，i∈[3，N]，根据实际情况简化模型参数，拟将系统中全部阅读器天线置于同一高度且令z＝0，则阅读器天线和标签间的空间距离可以表示为进一步，步骤2中θT可以更新为此时，步骤2中无源标签天线的分立辐射增益模型GT(θT，φT)可以更新为GT(x，y，xi，yi，zi)；步骤6：引入阅读器天线俯仰角θm修正阅读器天线的增益，设θm为天线法线方向和Z轴正方向的夹角，则步骤3中的θR和φR可以更新为进而可以将步骤3中阅读器天线的分立辐射增益模型GR(θR，φR)更新为GR(θm，x，y，xi，yi，zi)；步骤7：引入阅读器天线旋转角φm修正阅读器天线的增益，设φm为阅读器天线法相方向在XOY投影和X轴正方向的夹角，采用更新公式对阅读器和标签的相对位置关系进行修正，同时结合实际情况，令阅读器天线只对正前方辐射，将其后方的增益置零，令φR的有效范围为[‑π/2，π/2]，引入门函数rect对阅读器天线有效辐射方向进行限定，进而可以将步骤6中的GR(θm，x，y，xi，yi，zi)进一步更新为GR(θm，φm，x，y，xi，yi，zi)；步骤8：基于弗里斯功率损耗模型，阅读器获得的标签收信功率可以表示为PR＝τμTρLPTx|GTGRPL(d)|2h|4|Γ|2，其中，GT和GR分别采用步骤5和步骤7中的表示式，是信道路径损耗，λ为电磁波波长，τ为调制效率，ρL为极化损耗，PTx为传输功率，Γ为微分反射系数，h为多径因子。根据实际情况在接收功率中加入高斯白噪声，构建基于N个阅读器的收信功率的观测矢量满足其中ω＝[ω1，…，ωi，…ωN]T，ωi服从是期望为0，方差为σ2的高斯分布，进而可将收信功率的似然函数表示为其中θ＝[x，y]；步骤9：基于步骤8中的似然函数，可以获得的无偏估计均方根误差的克拉美罗界为[I(θ)]xx和[I(θ)]yy分别为收信功率PR的费歇尔信息矩阵中的元素，费歇尔信息矩阵可以表示为步骤10：根据公式计算获得矩阵中每个元素的表示式，对于[I(θ)]xx有[I(θ)]xx=A2σ2Σi=1N[μ1(μ2+μ3+cos(π(x-xi)2d)105.93d(y-yi)2+z2(cos(Sxy)μ4-π2Ydsin(πY2d)sin(Sxy)μ5))]2]]>μ1=1d4[X2+zi2Ysin(πY2d)cos(Sxy)]3[cos(π(x-xi)2d)d(y-yi)2+z2]3]]>μ2=105.93X2+zi22d2Y(y-yi)2+z2sin(πY2d)cos(Sxy)[2dcos(π(x-xi)2d)(x-xi)-πsin(π(x-xi)2d)(d2-(x-xi)2]]]>μ3=-1d2[105.94X2+zi2Ysin(πY2d)cos(Sxy)][cos(π(x-xi)2d)d(y-yi)2+z2](Xcosφm-Ysinφm)]]>μ4=[(1d2X2+zi2+X2+zi2Y2d2)sin(πY2d)-πX2+zi22Yd2cos(πY2d)][YXcosφm+(X2+zi2)sinφm]]]>μ5=YXcosφm+(X2+zi2)sinφmd2cos(arctan(Xzi)+θm)Y-zisin(arctan(Xzi)+θm)cosφm]]>对于[I(θ)]yy有，[I(θ)]yy=A2σ2Σj=1N[μ6(μ7+μ8+cos(π(x-xi)2d)105.93d(y-y)2+z2(cos(Sxy)μ9-π2Ydsin(πY2d)sin(Sxy)μ10))]2]]>μ6=1d4[X2+zi2Ysin(πY2d)cos(Sxy)]3[cos(π(x-xi)2dd(y-yi)2+z2)]3]]>μ7=105.93X2+zi2(y-yi)2d2Y(y-yi)2+z2sin(πY2d)cos(Sxy)[πsin(π(x-xi)2d)(x-xi)+2dcos(π(x-xi)2d)(-(x-xi)2(y-yi)2+z2)]]]>μ8=-1d2[105.94X2+zi2Ysin(πY2d)cos(Sxy)][cos(π(x-xi)2d)d(y-yi)2+z2](Xsinφm+Ycosφm)]]>μ9=[(1d2X2+zi2+X2+zi2Y2d2)sin(πY2d)-πX2-zi22Yd3cos(πY2d)][YXsinφm-(x2+zi2)cosφm]]]>μ10=YXsinφm-(X2+zi2)cosφmd2cos(arctan(Xzi)+θm)Y-zisin(arctan(Xzi)+θm)sinφm]]>对于[I(θ)]xy和[I(θ)]yx分别有[I(θ)]xy=[I(θ)]yx=A2σ2Σi=1N[μ1(μ2+μ3+cos(π(x-xi)2d)105.93d(y-yi)2+z2(cos(Sxy)μ4-π2Ydsin(πY2d)sin(Sxy)μ5))]]]>×[μ6(μ7+μ8+cos(π(x-xi)2d)105.93d(y-yi)2+z2(cos(Sxy)μ9-π2Ydsin(πY2d)sin(Sxy)μ10))]]]>其中X＝cosφm(x‑xi)+sinφm(y‑yi)，Y＝‑sinφm(x‑xi)+cosφm(y‑yi)，步骤11：依据步骤(10)获得的[I(θ)]xx、[I(θ)]xy、[I(θ)]yx、[I(θ)]yy的表达式，可以计算费歇尔信息矩阵的逆矩阵I(θ)‑1，进而可以获得以阅读器收信功率PR作为为观测量条件下的标签定位误差克的克拉美罗下界，即系统的标签定位误差不会低于该克拉美罗下界的数值，以此可以精确评价定向辐射场景下的无源超高频RFID定位系统的定位精度。