基于蓝牙测向的室内定位细化方案

　　借助全球导航卫星系统 （GNSS） 技术，我们大多数人现在认为能够准确定位户外物体或人的位置是理所当然的。可以实现的精确定位水平——尤其是当您使用 GNSS 增强数据服务时——正在解锁真正的转型用例，包括自动驾驶汽车和其他设备。

　　在我们对可能的户外艺术睁开眼睛之后，现在人们越来越渴望创造出类似的突破性室内应用。

　　一个例子是高精度的工业级和消费级资产跟踪，或“查找我的项目”服务。另一种是室内导航，其中某人（或某物）被引导通过复杂的设施，例如医院或大型交通枢纽，并提供逐向导航。当移动设备到达特定兴趣点时，对此的变化可以看到显示在移动设备上的信息。这可能是在博物馆或画廊中启用智能指南，能够在有人接近特定展览时提供有关特定展览的信息。

　　为了提供设计人员渴望的各种用户体验，诸如此类的应用需要结合高精度的室内定位、低功耗和可承受的成本。这是传统的短距离无线电技术无法实现的。

　　传统 Wi-Fi 和蓝牙定位解决方案的缺点

　　例如，Wi-Fi 指纹只能提供低至 10m 左右的精度。Wi-Fi 飞行时间，也称为往返时间 （RTT） 或 802.11mc，达到 1-2m，但功耗较高。虽然它已经有一段时间了，但这项技术还没有在现场大规模部署。

　　与此同时，使用蓝牙定位设备传统上使用“接收信号强度指示器”（RSSI）。基于 RSSI，可以估计所谓的“锚点”参考站与设备之间的距离，尽管不是设备相对于锚点的角度。通过使用三个或更多锚点，您可以计算设备的位置，但精度只能在三到五米之间。

　　蓝牙测向：室内定位细化

　　蓝牙规范 5.1 版引入了“测向”。这代表着在精确室内定位能力方面向前迈出了非常重要的一步——如此之多，以至于它有望解锁当今工程师正在寻求创造的一些改变游戏规则的产品和服务。测向不依赖于蓝牙设备发出的信号强度来确定其位置。相反，它使用带有多天线阵列的固定锚点来计算角度使用到达角 （AoA） 或出发角 （AoD） 技术对信号进行分析。通过计算来自/到至少三个锚点的信号的角度，并确定它们相交的位置，您可以获得附近设备的亚米级位置读数。

 

 

图 1. 通过计算信号到达三个固定锚点的角度，并计算它们相交的位置，您可以确定设备位于一米内的位置。

　　让我们简要地看一下这些角度是如何计算的。

　　在 AoA 设置中，移动设备会发出蓝牙测向信号。这到达锚点阵列中的每个天线，相对于该锚点中的其他天线有轻微的相移。假设信号传播平面波，这些相位差可用于计算信号的到达角。AoA 可用于跟踪或实时定位服务 （RTLS）。

 

 

图 2. 到达角 （AoA） 设置根据在多天线阵列中的每个天线处观察到的微小相位差来计算传入蓝牙测向信号的角度。

　　使用 AoD，信号从锚点上的每个天线发送到附近的蓝牙设备。这些信号以轻微的相移到达该设备。再加上天线几何形状的信息，这些相位差可用于计算信号与锚点的偏离角。AoD 是实施寻路和导航解决方案的有效方式。

 

 

图 3. 出发角 （AoD） 设置让接收设备根据从不同天线发送的信号之间的相位差计算信号离开天线阵列的角度。

　　进行测试

　　我们已经在多个用例中广泛测试了蓝牙 5.1 测向技术。最近的一个例子是 AoA 概念验证，我们使用伺服器创建一个旋转头，该头将转向面向我们正在跟踪的移动设备。这将提供可见的证据证明测向解决方案是有效的。

　　此特定设置中的移动设备是一个带有 NINA-B406 蓝牙 5.1 低功耗模块的 u-blox 应用板。它的广播范围设置为 10m 左右，但如果需要可以扩展。

　　在这个 POC 中，我们有一个锚点，其中包括一个带有 NINA-B411 蓝牙低功耗模块的 u-blox 天线板和我们的 u-connectLocate 软件（稍后会详细介绍）。天线板包含五个交叉极化天线元件，用于确定垂直和水平平面的输入信号角度。然后板上的软件计算到达角。然后使用此信息来实时旋转移动头以面向移动设备。

　　下面的视频显示了正在运行的设置，当设备在房间内移动时，头部会不断跟踪设备。

　　我们还在工业仓库中进行了广泛的测试，我们在本室内定位白皮书中对此进行了描述。

　　在资源受限的嵌入式系统中启用这些算法

　　使用 AoA 或 AoD 创建解决方案的最复杂和最耗时的方面之一是实施算法，以根据相位差计算信号角度，考虑到通常运行这些的嵌入式系统固有的资源限制。

　　这就是我们为 NINA-B410 和 B411 模块开发 u-connectLocate 测向软件的原因。这提供了一个 API，使工程师能够获得 AoA，处理数据收集和预处理，并抑制每个单独天线上的多路径分量。该软件运行在蓝牙模块的嵌入式 MCU 中，这意味着无需外部处理。这降低了复杂性和材料清单。

　　对于任何希望创建需要高精度室内定位功能的解决方案的人来说，现在都是真正激动人心的时刻。蓝牙测向可以解锁亚米级精度，为无数新用例打开大门。无论您是想帮助人们找到穿过医院的路，在大型仓库综合体中查明一台机器的确切位置，还是完全做其他事情，蓝牙测向都可能是您需要的改变游戏规则的技术。

　　Erik Carlberg是u-blox AG短程无线电产品中心的高级产品经理。他负责针对工业市场的蓝牙和 Wi-Fi 模块的路线图。Erik 在无线行业拥有 20 年的经验。他拥有瑞典隆德大学的电气工程理学硕士学位和工商管理学士学位。