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(rèn)為能夠準(zhǔn)確定位戶外物體或人的位置是理所當(dāng)然的?？梢詫崿F(xiàn)的精確定位水平——特別是當(dāng)您使用 GNSS 增強數(shù)據(jù)服務(wù)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(shè)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(yīng)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(wù)。另一種是室內(nèi)導(dǎo)航，其中某人（或某物）被引導(dǎo)通過復(fù)雜的設(shè)施，例如醫(yī)院或大型交通樞紐，并提供逐向?qū)Ш?。?dāng)移動設(shè)備到達(dá)特定興趣點時，對此的變化可以看到顯示在移動設(shè)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(guān)特定展覽的信息。

為了提供設(shè)計人員渴望的各種用戶體驗，諸如此類的應(yīng)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(lán)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(dá)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(lán)牙定位設(shè)備傳統(tǒng)上使用“接收信號強度指示器”（RSSI）?；?RSSI，可以估計所謂的“錨點”參考站與設(shè)備之間的距離，盡管不是設(shè)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(shè)備的位置，但精度只能在三到五米之間。

藍(lán)牙測向：室內(nèi)定位細(xì)化

藍(lán)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(dāng)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(wù)。測向不依賴于藍(lán)牙設(shè)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(dá)角 (AoA) 或出發(fā)角 (AoD) 技術(shù)對信號進(jìn)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(shè)備的亞米級位置讀數(shù)。

圖 1. 通過計算信號到達(dá)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(shè)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(shè)置中，移動設(shè)備會發(fā)出藍(lán)牙測向信號。這到達(dá)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(shè)信號傳播平面波，這些相位差可用于計算信號的到達(dá)角。AoA 可用于跟蹤或?qū)崟r定位服務(wù) (RTLS)。

圖 2. 到達(dá)角 (AoA) 設(shè)置根據(jù)在多天線陣列中每個天線處觀察到的微小相位差計算傳入藍(lán)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(lán)牙設(shè)備。這些信號以輕微的相移到達(dá)該設(shè)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(dǎo)航解決方案的有效方式。

圖 3. 出發(fā)角 (AoD) 設(shè)置讓接收設(shè)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(jìn)行測試

我們已經(jīng)在多個用例中廣泛測試了藍(lán)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(shè)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(shè)置中的移動設(shè)備是一個帶有 NINA-B406 藍(lán)牙 5.1 低功耗模塊的 u-blox 應(yīng)用板。它的廣播范圍設(shè)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(lán)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(xì)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(dá)角。然后使用此信息來實時旋轉(zhuǎn)移動頭以面向移動設(shè)備。

下面的視頻顯示了正在運行的設(shè)置，當(dāng)設(shè)備在房間內(nèi)移動時，頭部會不斷跟蹤設(shè)備。

我們還在工業(yè)倉庫中進(jìn)行了廣泛的測試，我們在本室內(nèi)定位白皮書中對此進(jìn)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(fù)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(yù)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(lán)牙模塊的嵌入式 MCU 中，這意味著無需外部處理。這降低了復(fù)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(lán)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(lán)牙測向都可能是您需要的改變游戲規(guī)則的技術(shù)。

審核編輯 黃昊宇