本發(fā)明屬于移動無線通信技術領域，涉及一種適于定向輻射場景的無源uhfrfid定位精度的評價方法。

背景技術：

近年來，超高頻射頻識別技術(ultrahighfrequencyradiofrequencyidentification，uhfrfid)已經應用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理等諸多領域。uhfrfid是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)。憑借傳輸范圍大、成本低、非接觸等優(yōu)勢，uhfrfid定位系統(tǒng)已經成為室內定位的優(yōu)選技術，理想狀況下的定位精度可達厘米級。典型的無源uhfrfid定位系統(tǒng)主要利用電子標簽的唯一標識特性，依據(jù)讀寫器與安裝在物體上的標簽之間射頻通信的收信強度等來測量物品的空間位置，主要應用于全球定位系統(tǒng)難以奏效的室內定位領域。

現(xiàn)有無源uhfrfid定位系統(tǒng)通常工作于定向輻射場景，其定向輻射特征體現(xiàn)在某一個或某幾個特定方向上閱讀器發(fā)射及接收電磁波特別強，而在其他的方向上發(fā)射及接收電磁波則為零或極小。采用定向輻射場景能夠有效增加輻射功率的有效利用率，對于提升無源uhfrfid定位系統(tǒng)的標簽定位精度具有重要意義。

目前，研究人員已經將無偏估計狀態(tài)下的克拉美羅下界作為全球定位系統(tǒng)和蜂窩定位系統(tǒng)的定位精度評價手段，其意義在于定位坐標的無偏估計量方差不得小于克拉美羅下界，只能無限制的逼近克拉美羅下界，所得克拉美羅下界越小，表明定位坐標方差下限越底，標簽定位精度越高。盡管如此，針對無源uhfrfid定位系統(tǒng)的定向輻射場景，求解其無偏估計狀態(tài)下的克拉美羅下界，并以此精確評價無源uhfrfid定位系統(tǒng)的定位精度，相關研究尚處于起步階段，國內外未見成熟的技術報道。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是，提供一種適于定向輻射場景的無源uhfrfid定位精度的評價方法。本發(fā)明通過構建基于微帶天線和偶極子天線的rfid系統(tǒng)的定向輻射場景，實現(xiàn)閱讀器獲得的標簽收信功率的高精度估計，以系統(tǒng)中多閱讀器的收信功率為基礎構建觀測向量，依據(jù)似然函數(shù)計算費歇爾信息矩陣及其逆矩陣，進而獲得定位標簽無偏估計狀態(tài)下的克拉美羅下界，并以此克拉美羅下界精確評價定向輻射場景下的無源uhfrfid定位系統(tǒng)的定位精度。

其具體步驟如下：

步驟1：以無源標簽天線選用偶極子天線和閱讀器天線選用傳統(tǒng)微帶天線為建模條件，建立適于無源uhfrfid定位的定向輻射場景；

步驟2：選取空間直角坐標系，確立無源標簽天線的分立輻射增益模型：在上述分立輻射增益模型中，標簽天線垂直于xoy面，天線的質心處于原點ot上，ot與空間中一點a構成射線矢量θt為z軸到射線矢量的到角，φt為射線矢量在xoy面上投影后x軸到該投影的到角；

步驟3：選取空間直角坐標系，確立閱讀器天線的分立輻射增益模型：在上述分立輻射增益模型中，最大輻射強度方向是天線面板的法線方向，閱讀器天線處于yoz面，天線質心處于原點or上，且天線法線方向與x軸正向重合，or與空間中一點a構成射線矢量θr為z軸到射線矢量的到角，φr為射線矢量在xoy面上投影后x軸到該投影的到角；

步驟4：針對步驟1中的定向輻射場景，將閱讀器和標簽同時放入同一空間直角坐標系中，對步驟(2)和步驟(3)中的分立輻射增益模型進行更新修正；

步驟5：以標簽天線坐標(x，y，z)表示標簽空間位置，將標簽置于xoy面且平行于x軸，令閱讀器天線坐標為(xi，yi，zi)，i∈[3，n]，根據(jù)實際情況簡化模型參數(shù)，擬將系統(tǒng)中全部閱讀器天線置于同一高度且令z＝0，則閱讀器天線和標簽間的空間距離可以表示為進一步，步驟2中θt可以更新為此時，步驟2中無源標簽天線的分立輻射增益模型gt(θt，φt)可以更新為gt(x，y，xi，yi，zi)；

步驟6：引入閱讀器天線俯仰角θm修正閱讀器天線的增益，設θm為天線法線方向和z軸正方向的夾角，則步驟3中的θr和φr可以更新為進而可以將步驟3中閱讀器天線的分立輻射增益模型gr(θr，φr)更新為gr(θm，x，y，xi，yi，zi)；

步驟7：引入閱讀器天線旋轉角φm修正閱讀器天線的增益，設φm為閱讀器天線法相方向在xoy投影和x軸正方向的夾角，采用更新公式對閱讀器和標簽的相對位置關系進行修正，同時結合實際情況，令閱讀器天線只對正前方輻射，將其后方的增益置零，令φr的有效范圍為[-π/2，π/2]，引入門函數(shù)rect對閱讀器天線有效輻射方向進行限定，進而可以將步驟6中的gr(θm，x，y，xi，yi，zi)進一步更新為gr(θm，φm，x，y，xi，yi，zi)；

步驟8：基于弗里斯功率損耗模型，閱讀器獲得的標簽收信功率可以表示為為pr＝τμtρlptx|gtgrpl(d)|²|h|⁴|γ|²，其中，gt和gr分別采用步驟5和步驟7中的表示式，是信道路徑損耗，λ為電磁波波長，τ為調制效率，ρl為極化損耗，ptx為傳輸功率，γ為微分反射系數(shù)，h為多徑因子。根據(jù)實際情況在接收功率中加入高斯白噪聲，構建基于n個閱讀器的收信功率的觀測矢量滿足其中ω＝[ω1，...，ωi，...ωn]^t，ωi服從是期望為0，方差為σ²的高斯分布，進而可將收信功率的似然函數(shù)表示為其中θ＝[x，y]；

步驟9：基于步驟8中的似然函數(shù)，可以獲得的無偏估計均方根誤差的克拉美羅界為[i(θ)]xx和[i(θ)]yy分別為收信功率pr的費歇爾信息矩陣中的元素，費歇爾信息矩陣可以表示為

步驟10：根據(jù)公式計算獲得矩陣中每個元素的表示式，對于[i(θ)]xx有

對于[i(θ)]yy有，

對于[i(θ)]xy和[i(θ)]yx分別有

其中x＝cosφm(x-xi)+sinφm(y-yi)，y＝-sinφm(x-xi)+cosφm(y-yi)，

步驟11：依據(jù)步驟(10)獲得的[i(θ)]xx、[i(θ)]xy、[i(θ)]yx、[i(θ)]yy的表達式，可以計算費歇爾信息矩陣的逆矩陣i(θ)^-1，進而可以獲得以閱讀器收信功率pr作為為觀測量條件下的標簽定位誤差克的克拉美羅下界，即系統(tǒng)的標簽定位誤差不會低于該克拉美羅下界的數(shù)值，以此可以精確評價定向輻射場景下的無源uhfrfid定位系統(tǒng)的定位精度。

需指出，在步驟5中，無源標簽天線的分立輻射增益模型gt(x，y，xi，yi，zi)的表達式為

在步驟6中，閱讀器天線的分立輻射增益模型gr(θm，x，y，xi，yi，zi)的表達式為

在步驟7中，閱讀器天線的分立輻射增益模型gr(θm，φm，x，y，xi，yi，zi)的表達式為

本發(fā)明的目的是，提出一種適于定向輻射場景的無源uhfrfid定位精度評價方法。本發(fā)明針對uhfrfid系統(tǒng)采用定向輻射天線引起的收信功率估計偏差問題，通過構建基于微帶天線和偶極子天線的rfid系統(tǒng)的定向輻射場景，實現(xiàn)閱讀器獲得的標簽收信功率的高精度估計，結合現(xiàn)代信號處理技術，圍繞系統(tǒng)中多閱讀器的收信功率為基礎構建觀測向量，通過計算費歇爾信息矩陣及其逆矩陣，進而獲得定位標簽無偏估計狀態(tài)下的克拉美羅下界，實現(xiàn)定向輻射場景下的無源uhfrfid定位系統(tǒng)的定位精度高精度評價。本發(fā)明避免了采用全向輻射天線增益模型引起的收信功率估計偏差，很大程度上克服了標簽漏讀問題，能夠滿足用戶對無源uhfrfid定位系統(tǒng)的定位精度精確評價的要求。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明的流程框圖

圖2是傳統(tǒng)微帶閱讀器天線增益模型示意圖；

圖3是偶極子標簽天線增益模型示意圖；

圖4是適于uhfrfid系統(tǒng)的定向輻射增益模型示意圖。

具體實施方式：

如圖2所示，假設標簽天線采用偶極子天線，則以標簽天線為原點建立其在空間直角坐標系下的增益模型，滿足

其中，標簽天線垂直于xoy面，天線的質心處于原點ot上，ot與空間中一點a構成射線矢量θt為z軸到射線矢量的到角，φt為射線矢量在xoy面上投影后，x軸到該投影的到角。

如圖3所示，假設閱讀器天線采用微帶定向天線，最大輻射強度方向是其法線方向，以閱讀器天線為原點建立其在空間直角坐標系下的增益模型：

gr(θr，φr)＝3.136[tan(θr)sin(0.5πcos(θr))cos(0.5πsin(θr)sin(φr))]²

(2)其中，閱讀器天線處于yoz面，且天線法線方向與x軸正向重合，天線質心處于原點or上，or與空間中一點a構成射線矢量θr為z軸到射線矢量的到角，φr為射線矢量在xoy面上投影后，x軸到該投影的到角。

將圖2和圖3所示的閱讀器天線和標簽天線放入同一空間直角坐標系中，建立如圖4所示的適于uhfrfid系統(tǒng)的定向輻射增益模型。如圖4所示，將標簽坐標為(x，y，z)，且一直在xoy面平行于x軸放置，將閱讀器天線坐標為(xi，yi，zi)，表示用于定位的第i個閱讀器天線，i∈[3，n]，根據(jù)實際情況簡化模型參數(shù)，擬擺放閱讀天線在同一高度且令z＝0，則進而則公式(1)中的θt可以更新為

此時，公式(1)可以更新為：

引入天線俯仰角θm來進一步定義閱讀器天線的增益，設θm為天線法線方向和z軸正方向的夾角，則公式(2)中的θr和φr可以更新為進而可以將公式(2)可以更新為：

引入閱讀器天線旋轉角φm修正閱讀器天線的增益，設φm為閱讀器天線法相方向在xoy投影和x軸正方向的夾角，采用更新公式對閱讀器和標簽的相對位置關系進行修正。同時結合實際情況，令微帶天線只對正前方輻射，將其后方的增益置零，設定φr的有效范圍為[-π/2，π/2]，引入門函數(shù)rect對閱讀器天線有效輻射方向進行限定，進而可以將gr(θm，x，y，xi，yi，zi)進一步更新為gr(θm，φm，x，y，xi，yi，zi)

其中

基于弗里斯功率損耗模型，閱讀器獲得的標簽收信功率可以表示為pr＝τμtρlptx|gtgrpl(d)|²|h|⁴|γ|²，其中，gt和gr分別采用公式(4)和公式(6)中的表示式，是信道路徑損耗，λ為電磁波波長，τ為調制效率，ρl為極化損耗，ptx為傳輸功率，γ為微分反射系數(shù)，h為多徑因子。根據(jù)實際情況在接收功率中加入高斯白噪聲，構建基于n個閱讀器的收信功率的觀測矢量滿足其中ω＝[ω1，...，ωi，...ωn]^t，ωi服從是期望為0，方差為σ²的高斯分布，進而可將收信功率的似然函數(shù)表示為其中θ＝[x，y]；

結合上述似然函數(shù)，可以獲得的無偏估計均方根誤差的克拉美羅界為[i(θ)]xx和[i(θ)]yy分別為收信功率pr的費歇爾信息矩陣中的元素，費歇爾信息矩陣可以表示為其逆矩陣為

根據(jù)公式計算獲得矩陣中每個元素的表示式，對于[i(θ)]xx有

對于[i(θ)]yy有，

對于[i(θ)]xy和[i(θ)]yx分別有

其中x＝cosφm(x-xi)+sinφm(y-yi)，y＝-sinφm(x-xi)+cosφm(y-yi)，

依據(jù)上述方法獲得的[i(θ)]xx、[i(θ)]xy、[i(θ)]yx、[i(θ)]yy的表達式，可以計算費歇爾信息矩陣的逆矩陣i(θ)^-1，進而可以獲得以閱讀器收信功率pr作為為觀測量條件下的標簽定位誤差克的克拉美羅下界，即系統(tǒng)的標簽定位誤差不會低于該克拉美羅下界的數(shù)值，以此可以精確評價定向輻射場景下的無源uhfrfid定位系統(tǒng)的定位精度。

假設定位系統(tǒng)利用3個發(fā)射功率為30dbm的閱讀器對標簽進行定位，閱讀器天線得擺放位置坐標分別為(5m，5m，2m)、(5m，-5m，2m)、(-5m，-5m，2m)，各閱讀器天線的俯仰角和旋轉角分別為(45°，90°)、(45°，180°)、(45°，0°)，各閱讀器的收信功率的噪聲標準差為0dbm，則采用上述方法可以獲得實際坐標為(0，0，0)的定位標簽的定位誤差的下限為0.034m，該下限能夠精確評價該標簽的定位精度。