RFID定位技术研究

GPS定位系统在进行室内定位时存在固有的定位精度问题，所以必须通过其他定位技术解决室内定位问题，如红外线、802．1l、超声波和RFID等等，这些系统各有优缺点。其中RFID技术由于其非接触和非视距等优点已成为优选的定位技术，RFID系统可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，其传输范围很大，成本较低，因此备受关注。

RFID定位与跟踪系统主要利用电子标签对物体的唯一标识特性，依据读写器与安装在物体上的标签之间射频通信的信号强度(RSSI)或信号到达时间差(TDOA)来测量物品的空间位置，主要应用于GPS系统难以奏效的室内定位领域。

1．基于测距的RFID定位算法

1．1 TOA

1)原理: 通过获得发射机发射的信号到达目标再返回发射机的时间,由传播时间得出标签

到阅读器的距离。然后根据三边定位法或多边定位法解出目标标签的位置。

2)优点：定位精度高。

缺点：该算法要求标签和阅读器要同步,其次环境的复杂性会导致多径效应并降低系统的定位精度。

TOA定位算法是基于TOA圆周方程，通过圆与圆之间交线的不同组合，构造出

不同的定位方程[1]。从几何模型上分析，如果移动台s到基站i的信号在视距情况

下传播，测得的距离为Di，移动台一定位于以基站i为圆心，Di为半径的圆周上，

当有3个基站坐标时，TOA的测量方程为：

，（1）

i=1,2,3 。

式中，（xi，yi）为第i个基站的坐标，（xs，ys）为移动台s的坐标。

其几何图形如图1所示。

由（1）式得， ()()

22111D x xs y ys =-+- （2） ()()22222D x xs y ys =

-+- （3） ()()22

333D x xs y ys =-+- （4） 由（2）-（3）可得相交线方程为，

()()()()212112*22*21*11*11*12*22

x x xs y y ys x x y y x x y y D D D D -+-=

+-++-⎡⎤⎣⎦ (5) 同理，基站2基站3两圆交点的相交线方程为：

()()()()323213*33*32*22*22*23*32

x x xs y y ys

x x y y x x y y D D D D -+-=+-++-⎡⎤⎣⎦ （6） 虽然可以用相同的方法得到基站1和基站3的相交线方程，但由于第3条交线同样

会经过前2条交线的相同点，因此，只需求得3条交线其中2条的方程，便可联立

解出交点坐标。

联立方程（5）、方程（6），得：

()()()()()()21*332*132212132y y C y y C xs x x y y x x y y ---=-----⎡⎤⎣⎦

(7) ()()()()()()21*332*132212132x x C x x C ys y y x x y y x x ---=

-----⎡⎤⎣⎦ （8） 其中，

()()112*22*21*11*11*12*22C x x y y x x y y D D D D =+-++-⎡⎤⎣

⎦, ()()133*33*32*22*22*23*32

C x x y y x x y y

D D D D =+-++-⎡⎤⎣⎦. 值得注意的是：在二维平面定位系统中，最少基站数为3个。当基站数大于3时，

可以通过最小二乘法求解方程组。

1．2 TDOA

1) 原理：是对TOA 算法的改进,在不同的测量点同步发射信号,通过计算不同节点到

达目标的距离差来定位。

2) 优点：定位精度高。两个节点在时间上不需要同步,而且解决了硬件延迟问题。

缺点：要求所有阅读器同步,此外阻挡物和空间的复杂性使得阅读器可能接收不到

标签发出的信号。还会受到多径和噪声的影响。

基于信号到达时间差TDOA 的定位，其主要的定位方法为双曲线定位法。

双曲线定位法的原理是利用双曲线的特性，即双曲线上的点到两焦点距离之差为

定值。双曲线定位法是基于TDOA 的定位方法，其观测值也是时间，但不同于

TOA 定位，其定位依据是标签到几个不同阅读器的传播的时间差。由几何原理可

知，至少需要三个阅读器才能得到唯一满足要求的双曲线交点，从而可得标签所

在位置[2]。

我们用三个已知位置的阅读器Reader1、Reader2、Reader3 来定位标签。

如图2所示，我们要测出在同一时刻，目标标签到各个阅读器的距离，因

此要求每个阅读器时钟一定要同步，否则计算出来的误差很大，不能很好

地反映目标标签的实际位置。其中可以测量出阅读器 Reader1，Reader2 与

标签之间的距离差，其方法是让两个阅读器同时发出的一个信号，则两个

信号到达目标标签的时间不同，从而存在一个时间差,设为21t 。则距离差

为21R =c*21t ，其中，c 为电磁波在自由空间中的传播速度。由我们已经学

过的几何知识可知，在已知Reader1，Reader2 和标签之间的距离差时，标

签必定位于以Reader1，Reader2为焦点并且与两焦点距离差为21R 的双曲

线对上。当又已知阅读器 Reader1 , Reader3 与标签的距离差31R =c*31t 时，

可得到另一组以两阅读器 Reader1 和 Reader3 为焦点、与该两个焦点距

离差为31R 双曲线对上。由此可知，两组双曲线的交点就是标签的位置所在。

图2基于TDOA 的双曲线定位方法

已知目标标签的坐标（x0，y0）和三个阅读器的坐标（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3）有如下关系：

2131R R ⎧⎪⎨⎪=⎩ 解方程组可以得到两个不同的解，也就是图2中所得到的两对双曲线的两个交点，这两个交点中只有一个代表了标签的位置坐标，由标签在阅读器围成的三角形内来消除模糊解得出标签位置的真实值。

此方法计算量较大，并且要求阅读器之间要在通信上有良好的协调。总之，基于TDOA 的RFID 定位，虽然避免了阅读器和标签计时不同步给定位带来的误差，但对系统计时精度的要求仍然较高[3]，应用受限。

1．3 AOA

1) 原理：是对TOA 算法的改进,在不同的测量点同步发射信号,通过计算不同节点

到达目标的距离差来定位。

2) 优点：定位精度高。

缺点：由于要加阵列天线,成本高。