《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》：Long-range NFC device localization with millimeter-scale accuracy
尤利娅·格里戈罗维奇（Yulia Grigorovich）|谢尔盖·盖曼（Sergey Geyman）|伊尔达尔·尤苏波夫（Ildar Yusupov）|安东·哈尔切夫斯基（Anton Kharchevskii）|伊琳娜·梅尔恰科娃（Irina Melchakova）|帕维尔·金兹堡（Pavel Ginzburg）|米哈伊尔·乌德罗夫（Mikhail Udrov）
俄罗斯圣彼得堡ITMO大学，邮编197101
摘要
在相对较小的空间内实现精确的定位对于精准追踪和管理无线设备至关重要，这在机器人技术、制造业和医疗保健应用中尤为重要，因为即使是微小的位置误差也会显著影响性能和安全性。尽管高频定位技术看起来很有吸引力，但在许多充满杂物的环境中，视线限制会大幅降低其性能，因此人们开始采用低频替代方案。在这里，我们利用了广泛应用于消费类无线设备的近场通信（NFC）技术，展示了一种极其精确的定位方法，即使在有大型物体遮挡视线的情况下也能达到毫米级的精度。该系统使用一对大面积线圈在几米的距离内建立可靠的NFC通信通道。设备的位置（无论是标签还是配备收发模块的智能手机）是通过平衡接收到的信号强度来确定的，然后将这种强度映射到空间中的具体位置。NFC协议的工作频率为13.56 MHz，对应的自由空间波长为22米，由于它依赖于近场相互作用而非自由空间传播，因此对障碍物的敏感度很低。在所有实验中，都实现了一维轴上的毫米级定位精度。基于NFC的定位系统在某种程度上介于极低频和高频实现方式之间，能够在传统方法遇到显著限制的环境中提供稳健的高精度跟踪解决方案。
引言
根据应用场景、精度要求和操作环境的不同，电磁源的定位方法也各不相同。高频技术如接收信号强度指示器（RSSI）、到达时间（ToA）、到达时间差（TDoA）和到达角度（AoA）在无线通信和导航系统中被广泛采用[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。这些方法通常需要GHz范围内的信号，并能提供米级或亚米的精度，但在非视线条件和复杂环境中会受到信号衰减、多径效应和同步限制的影响[6]、[7]。
与前述技术不同，基于指纹识别的方法通过将实时信号特征与预先收集的数据库进行比较，在多径丰富的室内环境中表现出较强的鲁棒性[8]、[9]、[10]。不过，这些方法需要准确的校准数据，因为它们对环境变化非常敏感。上述大多数技术依赖于远场波传播和高频信号处理，这限制了它们在杂乱环境、屏蔽环境或高介电常数环境中的有效性。
在这种情况下，低频近场技术提供了一个有前景的替代方案。例如磁感应（MI）定位和近场电磁测距（NFER）等技术利用kHz到低MHz范围内的准静态磁场，能够在地下、水下或生物医学场景中实现短距离跟踪[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。这些系统通常使用大面积线圈来最大化感应耦合并控制磁场的分布。它们的硬件配置与无线电力传输（WPT）系统中的类似[16]、[17]。尽管目的不同——一个是能量传输，另一个是位置估计——但两种方法都受益于感应耦合带来的可控磁场成形。
近场通信（NFC）在13.56 MHz的工作频率下，通过结合感应耦合和标准化的低成本收发器硬件，为近场定位提供了一个有吸引力的平台。NFC最初是为短距离数据交换设计的，但现在越来越多地应用于各种传感场景[18]、[19]、[20]。虽然传统的NFC系统主要用于短距离识别和数据交换，但最近的研究开始探索其在空间感知和定位方面的潜力。然而，大多数现有方法工作在辐射近场或过渡区域，通常频率较高，且对磁场分布的控制有限[21]、[22]。相比之下，本文提出的系统利用了13.56 MHz下的反应近场机制，在这种机制下，大口径线圈之间的强耦合磁场能够实现确定性的场形控制和毫米级的定位精度，即使在杂乱环境中也是如此。
在这项工作中，我们将NFC的功能扩展到了高精度的空间定位。我们介绍了一种操作范围超过一米的近场定位方法，该方法基于一种专为磁场均匀性和跟踪精度优化的三线圈NFC架构。该系统能够实时定位小型主动设备，并实现毫米级的精度。该方法通过数值模拟和实验验证，包括使用商用NFC智能手机进行的演示。
部分内容摘录
线圈设计
为了建立长距离的NFC通信通道，需要开发一组大面积线圈。电磁硬件的建模和优化使用了软件完成。电磁场分析的频域求解器与原理图模块集成，以便设计匹配电路。定位系统由两个相同的方形接收线圈组成，用于检测来自主动标签的信号。
数值评估与分析模型
为了定位一个小型的主动标签，需要将其放置在两个大面积接收线圈之间。图2(a)展示了这种布局，其中采用了一维定位方案。在这种设置中，标签可以沿着连接两个接收线圈中心的直线移动。接收线圈（1）和（2）相距1米。标签（如图1(c)所示）被激发一个13.5 MHz的谐波信号，峰峰值电压为5 V。值得注意的是，每个
NFC激活智能手机的实验演示
为了评估该方法在消费设备中的适用性，我们采用了以下配置：将一个NFC标签（办公访问钥匙）连接到配备了NFC模块的智能手机上。卡片的存在会启动通信，然后被大型线圈检测到。值得注意的是，可以通过应用程序来开启NFC模块，从而无需额外的卡片。这可以通过使用具有更长距离蓝牙模块的智能手机来实现。
结论
NFC通信通道通常设计用于非常短的距离（厘米级别），但通过使用大尺寸的谐振线圈可以显著扩展其范围。利用这种增强的范围，我们设计并演示了一对大尺寸的谐振线圈，实现了基于NFC的远距离空间定位，能够定位标签和消费设备，距离可达到办公桌的长度。我们还展示了一种基于磁感应定位原理的新方法。
CRediT作者贡献声明
尤利娅·格里戈罗维奇（Yulia Grigorovich）：撰写初稿、可视化处理、验证、方法论构建、概念化。谢尔盖·盖曼（Sergey Geyman）：验证、软件开发、方法论构建。伊尔达尔·尤苏波夫（Ildar Yusupov）：撰写初稿、数据整理、概念化。安东·哈尔切夫斯基（Anton Kharchevskii）：验证、概念化。伊琳娜·梅尔恰科娃（Irina Melchakova）：方法论构建。帕维尔·金兹堡（Pavel Ginzburg）：撰写初稿、概念化。米哈伊尔·乌德罗夫（Mikhail Udrov）：审稿与编辑、项目监督、概念化。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：所有隶属于ITMO大学的作者均表示获得了俄罗斯科学基金会的财务支持；所有隶属于特拉维夫大学的作者均表示获得了以色列科学基金会的财务支持。如果还有其他作者，他们声明自己没有已知的财务利益或个人关系可能影响研究结果。
致谢
本工作得到了俄罗斯科学基金会在项目23-19-00511和ISF [授权编号1115/23]下的支持。
