借助全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) （GNSS） 技術(shù)，我們大多數(shù)人現(xiàn)在認為能夠準確定位戶外物體或人的位置是理所當然的?？梢詫崿F(xiàn)的精確定位水平——尤其是當您使用 GNSS 增強數(shù)據(jù)服務時——正在解鎖真正的轉(zhuǎn)型用例，包括自動駕駛汽車和其他設備。

在我們對可能的戶外藝術(shù)睜開眼睛之后，現(xiàn)在人們越來越渴望創(chuàng)造出類似的突破性室內(nèi)應用。

一個例子是高精度的工業(yè)級和消費級資產(chǎn)跟蹤，或“查找我的項目”服務。另一種是室內(nèi)導航，其中某人（或某物）被引導通過復雜的設施，例如醫(yī)院或大型交通樞紐，并提供逐向?qū)Ш健．斠苿釉O備到達特定興趣點時，對此的變化可以看到顯示在移動設備上的信息。這可能是在博物館或畫廊中啟用智能指南，能夠在有人接近特定展覽時提供有關特定展覽的信息。

為了提供設計人員渴望的各種用戶體驗，諸如此類的應用需要結(jié)合高精度的室內(nèi)定位、低功耗和可承受的成本。這是傳統(tǒng)的短距離無線電技術(shù)無法實現(xiàn)的。

傳統(tǒng) Wi-Fi 和藍牙定位解決方案的缺點

例如，Wi-Fi 指紋只能提供低至 10m 左右的精度。Wi-Fi 飛行時間，也稱為往返時間 （RTT） 或 802.11mc，達到 1-2m，但功耗較高。雖然它已經(jīng)有一段時間了，但這項技術(shù)還沒有在現(xiàn)場大規(guī)模部署。

與此同時，使用藍牙定位設備傳統(tǒng)上使用“接收信號強度指示器”（RSSI）。基于 RSSI，可以估計所謂的“錨點”參考站與設備之間的距離，盡管不是設備相對于錨點的角度。通過使用三個或更多錨點，您可以計算設備的位置，但精度只能在三到五米之間。

藍牙測向：室內(nèi)定位細化

藍牙規(guī)范 5.1 版引入了“測向”。這代表著在精確室內(nèi)定位能力方面向前邁出了非常重要的一步——如此之多，以至于它有望解鎖當今工程師正在尋求創(chuàng)造的一些改變游戲規(guī)則的產(chǎn)品和服務。測向不依賴于藍牙設備發(fā)出的信號強度來確定其位置。相反，它使用帶有多天線陣列的固定錨點來計算角度使用到達角 （AoA） 或出發(fā)角 （AoD） 技術(shù)對信號進行分析。通過計算來自/到至少三個錨點的信號的角度，并確定它們相交的位置，您可以獲得附近設備的亞米級位置讀數(shù)。

圖 1. 通過計算信號到達三個固定錨點的角度，并計算它們相交的位置，您可以確定設備位于一米內(nèi)的位置。

讓我們簡要地看一下這些角度是如何計算的。

在 AoA 設置中，移動設備會發(fā)出藍牙測向信號。這到達錨點陣列中的每個天線，相對于該錨點中的其他天線有輕微的相移。假設信號傳播平面波，這些相位差可用于計算信號的到達角。AoA 可用于跟蹤或?qū)崟r定位服務 （RTLS）。

圖 2. 到達角 （AoA） 設置根據(jù)在多天線陣列中的每個天線處觀察到的微小相位差來計算傳入藍牙測向信號的角度。

使用 AoD，信號從錨點上的每個天線發(fā)送到附近的藍牙設備。這些信號以輕微的相移到達該設備。再加上天線幾何形狀的信息，這些相位差可用于計算信號與錨點的偏離角。AoD 是實施尋路和導航解決方案的有效方式。

圖 3. 出發(fā)角 （AoD） 設置讓接收設備根據(jù)從不同天線發(fā)送的信號之間的相位差計算信號離開天線陣列的角度。

進行測試

我們已經(jīng)在多個用例中廣泛測試了藍牙 5.1 測向技術(shù)。最近的一個例子是 AoA 概念驗證，我們使用伺服器創(chuàng)建一個旋轉(zhuǎn)頭，該頭將轉(zhuǎn)向面向我們正在跟蹤的移動設備。這將提供可見的證據(jù)證明測向解決方案是有效的。

此特定設置中的移動設備是一個帶有 NINA-B406 藍牙 5.1 低功耗模塊的 u-blox 應用板。它的廣播范圍設置為 10m 左右，但如果需要可以擴展。

在這個 POC 中，我們有一個錨點，其中包括一個帶有 NINA-B411 藍牙低功耗模塊的 u-blox 天線板和我們的 u-connectLocate 軟件（稍后會詳細介紹）。天線板包含五個交叉極化天線元件，用于確定垂直和水平平面的輸入信號角度。然后板上的軟件計算到達角。然后使用此信息來實時旋轉(zhuǎn)移動頭以面向移動設備。

下面的視頻顯示了正在運行的設置，當設備在房間內(nèi)移動時，頭部會不斷跟蹤設備。

我們還在工業(yè)倉庫中進行了廣泛的測試，我們在本室內(nèi)定位白皮書中對此進行了描述。

在資源受限的嵌入式系統(tǒng)中啟用這些算法

使用 AoA 或 AoD 創(chuàng)建解決方案的最復雜和最耗時的方面之一是實施算法，以根據(jù)相位差計算信號角度，考慮到通常運行這些的嵌入式系統(tǒng)固有的資源限制。

這就是我們?yōu)?NINA-B410 和 B411 模塊開發(fā) u-connectLocate 測向軟件的原因。這提供了一個 API，使工程師能夠獲得 AoA，處理數(shù)據(jù)收集和預處理，并抑制每個單獨天線上的多路徑分量。該軟件運行在藍牙模塊的嵌入式 MCU 中，這意味著無需外部處理。這降低了復雜性和材料清單。

對于任何希望創(chuàng)建需要高精度室內(nèi)定位功能的解決方案的人來說，現(xiàn)在都是真正激動人心的時刻。藍牙測向可以解鎖亞米級精度，為無數(shù)新用例打開大門。無論您是想幫助人們找到穿過醫(yī)院的路，在大型倉庫綜合體中查明一臺機器的確切位置，還是完全做其他事情，藍牙測向都可能是您需要的改變游戲規(guī)則的技術(shù)。

Erik Carlberg是u-blox AG短程無線電產(chǎn)品中心的高級產(chǎn)品經(jīng)理。他負責針對工業(yè)市場的藍牙和 Wi-Fi 模塊的路線圖。Erik 在無線行業(yè)擁有 20 年的經(jīng)驗。他擁有瑞典隆德大學的電氣工程理學碩士學位和工商管理學士學位。