【導(dǎo)讀】得益于導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 技術(shù)，我們大多數(shù)人現(xiàn)在都認為能夠在戶外定位物體或人的位置是理所當(dāng)然的。可實現(xiàn)的定位水平——尤其是當(dāng)您使用 GNSS 增強數(shù)據(jù)服務(wù)時——正在開啟真正變革性的用例，包括自動駕駛汽車和其他設(shè)備。
得益于導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 技術(shù)，我們大多數(shù)人現(xiàn)在都認為能夠在戶外定位物體或人的位置是理所當(dāng)然的。可實現(xiàn)的定位水平——尤其是當(dāng)您使用 GNSS 增強數(shù)據(jù)服務(wù)時——正在開啟真正變革性的用例，包括自動駕駛汽車和其他設(shè)備。
在我們對戶外可能的藝術(shù)大開眼界之后，現(xiàn)在越來越渴望創(chuàng)造類似的突破性室內(nèi)應(yīng)用。
一個例子是高精度工業(yè)級和消費級資產(chǎn)跟蹤，或“查找我的物品”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)院或大型交通交匯處，并提供逐向?qū)Ш健Υ说囊环N變體可以看到移動設(shè)備到達特定興趣點時顯示在其上的信息。這可能是在博物館或畫廊啟用智能指南，能夠在有人接近特定展覽時提供有關(guān)特定展覽的信息。
為了提供他們的設(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)的短程無線電技術(shù)無法實現(xiàn)的。
傳統(tǒng) Wi-Fi 和藍牙定位解決方案的弊端
例如，Wi-Fi 指紋只能提供低至 10 米左右的精度。Wi-Fi飛行時間，也稱為往返時間（RTT）或802.11mc，達到1-2m，但功耗高。雖然已經(jīng)面世一段時間，但該技術(shù)尚未在該領(lǐng)域大規(guī)模部署。
同時，使用藍牙定位設(shè)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(shè)備之間的距離，但不是設(shè)備相對于錨點所處的角度。通過使用三個或更多錨點，您可以計算出設(shè)備的位置，但精度只能達到三到五米之間。
藍牙測向：室內(nèi)定位變得精細
藍牙規(guī)范 5.1 版引入了“測向”。這代表著在的室內(nèi)定位功能方面向前邁出了非常重要的一步——如此之大，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)。測向不依賴藍牙設(shè)備發(fā)出的信號強度來確定其位置。相反，它使用具有多天線陣列的固定錨點來計算角度信號，使用到達角 (AoA) 或離開角 (AoD) 技術(shù)。通過計算來自/到達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)。
u-blox - 室內(nèi)定位 圖 1
圖 1. 通過計算到達三個固定錨點的信號的角度，并計算它們相交的位置，您可以在一米以內(nèi)確定設(shè)備所在的位置。
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具有輕微的相移。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角。AoA 可用于跟蹤或?qū)崟r定位服務(wù) (RTLS)。
u-blox室內(nèi)定位圖2
圖 2. 到達角 (AoA) 設(shè)置根據(jù)多天線陣列中每根天線觀察到的微小相位差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(shè)備。這些信號以輕微的相移到達該設(shè)備。結(jié)合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。
u-blox室內(nèi)定位圖3
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。
進行測試
我們已經(jīng)在許多用例中廣泛測試了藍牙 5.1 測向技術(shù)。近的一個例子是 AoA 概念驗證，我們使用伺服來創(chuàng)建一個旋轉(zhuǎn)頭，該頭將轉(zhuǎn)向我們正在跟蹤的移動設(shè)備。這將提供可見的證據(jù)，證明測向解決方案正在發(fā)揮作用。
此特定設(shè)置中的移動設(shè)備是一個 u-blox 應(yīng)用板，上面有一個 NINA-B406 藍牙 5.1 低功耗模塊。它的廣播范圍設(shè)置為大約 10 米，但如果需要可以擴展。
在此 POC 中，我們有一個單一的錨點，其中包括帶有 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，以確定垂直和水平平面中的輸入信號角度。然后板上的軟件計算到達角。然后使用此信息實時旋轉(zhuǎn)移動頭以面對移動設(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，頭部不斷跟蹤設(shè)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)建解決方案的復(fù)雜和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算法的嵌入式系統(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，并抑制每個天線上的多路徑分量。該軟件在藍牙模塊的嵌入式 MCU 中運行，這意味著不需要外部處理。這降低了復(fù)雜性和物料清單。
對于任何想要創(chuàng)建需要高精度室內(nèi)定位功能的解決方案的人來說，這些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在醫(yī)院中找到出路，在大型倉庫綜合體中定位一臺機器，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)。
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